Michio Kaku — Parallel worlds (RUS)


00
00

MICHIO KAKU

PARALLELWORLDS
AJOURNEY THROUGH/ CREATION, HIGHER DIMENSIONS,AND THE FUTURE OF THE COSMOS

DOUBLEDAY
New York London Toronto Sydney Auckland
МИЧИО КАКУ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ
МИРЫ
«СОФИЯ» 2 0 0 8
Об устройстве мироздания,высших измеренияхи булушем Космоса

УДК 524ББК 22.6К16
Перевод с английского М. Кузнецовой
Каку Мичио
К16 Параллельные миры: 06 устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008. —416 с.
ISBN 978-5-91250-520-1
Эта книга, конечно же, не развлекательное чтение. Это то, что называется «интеллектуальный бестселлер». Чем, собственно, занимается современная физика? Какова нынешняя модель Вселенной? Как понимать «многомерность» пространства и времени? Что такое параллельные миры?
Автор этой книги, Мичио Каку, очень авторитетный ученый-физик. Поэтому в «Параллельных мирах» вы не найдете помпезной «псевдонауки». Мичио Каку — опытный литератор. Он умеет писать просто. И в этой книге вы не найдете сложных математических формул. Наконец, Мичио Каку — японец, воспитывавшийся в буддийской религии. И он умеет передать читателю свое чисто восточное спокойное восхищение совершенством нашего огромного Мироздания.
УДК 524ББК 22.6
©200SbyMichioKakuParallel Worlds
A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos
Все права зарезервированы, включая право на полное или частичноевоспроизведение в какой бы то ни было форме.
ISBN 978-5-91250-520-1
© «София», 2008
© ООО Издательство «София», 2008
Содержание
Благодарности 8
Вступление 12
Часть I. Вселенная 15
Глава 1
Детские фотографии Вселенной 16
Глава 2
Парадоксальная Вселенная 37
Глава 3
Большой Взрыв 61
Глава 4
Расширение и параллельные вселенные 94
Часть11.Мультивселенная129
Глава 5
Порталы в другие измерения и путешествие
во времени130
Глава 6
Параллельные квантовые вселенные169
Глава 7
М-теория: мать всех струн207
Глава 8
Спроектированная вселенная?272
Глава 9
В поисках эхо-сигналов из одиннадцатого измерения... 289
Часть III. Побег в гиперпространство 321
Глава 10
Конец всего 322
Глава 11
Побег из нашей вселенной 340
Глава 12
За пределами Мультивселенной 383
Примечания автора 403
Эта книга посвящается моей любящей жене Сидзуэ.
Благодарности
Я
хотел бы поблагодарить ученых, которые были столь любезны,что уделили мне время для беседы. Их комментарии, замечанияи идеи в значительной степени обогатили эту книгу и придали ейбольшую глубину и ясность. Вот их имена:
Стивен Вайнберг, нобелевский лауреат, Техасский универси-тет
Остин Мюррей Гелл-Манн, нобелевский лауреат, ИнститутСанта-Фе и Калифорнийский технологический институт
Леон Ледерман, нобелевский лауреат, Технологический инсти-тут Иллинойса
Джозеф Ротблат, нобелевский лауреат, Госпиталь святогоБартоломью (на пенсии)
Уолтер Гилберт, нобелевский лауреат, Гарвардский универси-тет
Генри Кендалл (ныне покойный), нобелевский лауреат, Масса-чусетский технологический институт
Алан Гут (Гус), физик, Массачусетский технологический ин-ститут
Сэр Мартин Рис, Королевский астроном Великобритании,Кембриджский университет
Фриман Дайсон, физик, Институт передовых исследований,Принстонский университет
Джон Шварц, физик, Калифорнийский технологический ин-ститут
Лиза Рэндалл, физик, Гарвардский университет
Дж. Ричард Готт III, физик, Принстонский университет
Нил де Грасс Тайсон, астроном, Принстонский университет иПланетарий Хейдена
Пол Дэвис, физик, Университет Аделаиды
Кен Кросвелл, астроном, Калифорнийский университет,Беркли
Дон Голдсмит, астроном, Калифорнийский университет,Беркли
Брайан Грин, физик, Колумбийский университет
Кумрун Вафа, физик, Гарвардский университет
Стюарт Сэмьюэл, физик, Калифорнийский университет,Беркли
Карл Саган (ныне покойный), астроном, Корнеллский универ-ситет
Дэниэл Гринбергер, физик, Городской колледж Нью-Йорка
В. П. Нэйр, физик, Городской колледж Нью-Йорка
Роберт П. Киршнер, астроном, Гарвардский университет
Питер Д. Уорд, геолог, Вашингтонский университет
Джон Бэрроу, астроном, Сассекский университет
Марша Бартушек, научный журналист, Массачусетский техно-логический институт
Джон Касти, физик, Институт Санта-Фе
Тимоти Феррис, научный журналист
Майкл Лемоник, научный обозреватель, журнал «Тайм»
Фульвио Мелиа, астроном, Университет Аризоны
Джон Хорган, научный журналист
Ричард Мюллер, физик, Калифорнийский университет, Беркли
Лоренс Краусс, физик, Университет Западного резервногорайона
Тед Тэйлор, проектировщик атомных бомб
Филип Моррисон, физик, Массачусетский технологическийинститут
Ханс Моравек, робототехник, Университет Карнеги-Меллона
Родни Брукс, робототехник, Лаборатория искусственногоинтеллекта, Массачусетский технологический институт
Донна Ширли, астрофизик, Лаборатория реактивного движе-ния
Дэн Вертхаймер, астроном, [email protected], Калифорнийскийуниверситет, Беркли
ПолХоффман, научный журналист, журнал «Дискавер»
Френсис Эверитт, физик, Гравитационный Зонд Б, Стэнфорд-ский университет
Сидни Перковиц, физик, Университет Эмори
А вот имена ученых, которым я бы хотел выразить благодарностьплодотворные дискуссии на физические темы:
Т. Д. Ли, нобелевский лауреат, Колумбийский университет
Шелдон Глэшоу, нобелевский лауреат, Гарвардский университет
Ричард Фейнман (ныне покойный), нобелевский лауреат,Калифорнийский технологический институт
Эдвард Виттен, физик, Институт передовых исследований,Принстонский университет
Джозеф Ликкен, физик, лаборатория Ферми
Дэвид Гросс, физик, Институт Кавли, Санта-Барбара
Фрэнк Вильчек, Калифорнийский университет, Санта-Барбара
Пол Таунсенд, физик, Кембриджский университет
Питер ван Ньювенхойзен, физик, Государственный универси-тет Нью-Йорка, Стоуни-Брук
Мигель Вирасоро, физик, Университет Рима
Бундзи Сакита (ныне покойный), физик, Городской колледжНью-Йорка
Эшок Дэс, физик, Университет Рочестера
Роберт Маршак (ныне покойный), физик, Городской колледжНью-Йорка
Фрэнк Типлер, физик, Университет Тулейна
Эдвард Трайон, физик, колледж Хантера
Митчелл Бегелман, астроном, Университет Колорадо
Я хотел бы также поблагодарить Кена Кросвелла за его многочис-ленные комментарии к моей книге.
И еще я хочу выразить благодарность моему редактору, РоджеруШоллу, который мастерски отредактировал две мои книги. Его твер-дая рука во многом улучшила эти книги, а его комментарии всегдапомогали разъяснить и углубить содержание и презентацию моихкниг. И наконец, я бы хотел поблагодарить своего агента, СтюартаКричевского, который занимался продвижением моих книг на про-тяжении всех этих лет.
Вступление
К
осмология изучает Вселенную как единое целое, в том числе. ее рождение и, возможно, ее конечную судьбу. Неудивительно,что эта наука претерпела множество трансформаций в ходе своегомедленного и нелегкого развития, — развития, которое часто омра-чалось религиозными догмами и предрассудками.
Первый переворот в истории космологии был связан с изобре-тением телескопа в XVII в. При его помощи Галилео Галилей, осно-вываясь на работах выдающихся астрономов Николая Коперника иИоганна Кеплера, впервые приблизил к нам величие небес и сделалих предметом серьезных научных исследований. Кульминацией раз-вития космологии на раннем этапе стали работы Исаака Ньютона,который сформулировал фундаментальные законы, управляющиедвижением небесных тел. Эти законы больше не рассматривались какнекое волшебство или мистика — стало ясно, что на все тела действу-ют силы, которые можно измерить и подсчитать.
Начало второго переворота в истории космологии было по-ложено изобретением больших телескопов, таких, как телескоп вобсерватории Маунт Уилсон с огромным рефлектором диаметромв 250 см. В 1920-е годы при помощи этого гигантского телескопаастроном Эдвин Хаббл опроверг вековые догмы, гласившие, чтоВселенная неизменна и вечна: он показал, что галактики удаляютсяот Земли с невероятными скоростями — то есть что Вселенная рас-ширяется. Это подтвердило результаты общей теории относитель-ности Эйнштейна, в которой архитектура пространства-временипредставала отнюдь не плоской и линейной, а динамичной и искрив-
Вступление 13
ленной. Это дало возможность выдвинуть первое правдоподобноеобъяснение происхождения Вселенной, которое заключалось в том,что Вселенная возникла в результате катастрофического взрыва,получившего название «Большой Взрыв». Он разбросал звезды игалактики в разные стороны. Новаторская работа Джорджа Гамова иего коллег по теории Большого Взрыва, а также работа Фреда Хойла,посвященная происхождению химических элементов, способство-вали выстраиванию общей картины эволюции Вселенной.
В настоящее время происходит третий переворог. Он началсяоколо пяти лет назад и был вызван появлением целого арсеналановых высокотехнологичных приборов, таких, как космическиеспутники, лазеры, детекторы гравитационных волн, рентгеновскиетелескопы и высокоскоростные суперкомпьютеры. На данныймомент мы располагаем самыми надежными сведениями о природеВселенной, включающими ее возраст, состав и, возможно, даже еебудущее и окончательную гибель.
Сейчас астрономы понимают, что Вселенная стремительно рас-ширяется, бесконечно ускоряя это движение и постепенно становясьвсе холоднее и холоднее. Если этот процесс будет продолжаться,то мы столкнемся с перспективой «Большого Охлаждения», когдаВселенная погрузится во тьму и холод, а вся разумная жизнь погиб-нет.
Данная книга посвящена именно этому третьему перевороту. Онаотличается от моих предыдущих книг по физике «За пределами науч-ной мысли Эйнштейна» (Beyond Einstein) и «Гиперпространство»(Hyperspace), которые помогли представить широкой публике новыеконцепции дополнительных измерений и теории суперструн. В кни-ге «Параллельные миры» я уделяю основное внимание не проблемепространства-времени, а революционным изменениям в космоло-гии, происшедшим за последние несколько лет. В разработке этойтемы я опираюсь на новые данные, полученные учеными всего мираиз самых отдаленных уголков космоса, а также на новейшие открытиятеоретической физики. Мне очень хотелось, чтобы книгу легко былочитать и понимать без предварительного введения в физику или кос-мологию.
В первой части я акцентирую внимание на изучении Вселенной,вкратце освещая достижения ранних этапов космологии, кульмина-
ционной точкой которых стало появление теории инфляционногорасширения Вселенной. Эта теория представляет на настоящиймомент самую передовую формулировку теории Большого Взрыва.Часть вторая посвящена исключительно зарождающейся теорииМультивселенной — мира, состоящего из множества вселенных,где наша является лишь одной из многих, — кроме того, в ней рас-сматривается возможность существования порталов-червоточин,пространственных и временных водоворотов и возможная связьмежду ними через дополнительные измерения. Теория суперструни М-теория стали первым крупным достижением после основопола-гающей теории Эйнштейна. В этих теориях содержатся дальнейшиедоказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих.И наконец, в третьей части рассказывается о Большом Охлаждениии о том, каким представляют ученые конец нашей Вселенной. Я такжеведу серьезный, хоть и гипотетический разговор о том, каким обра-зом в отдаленном будущем, триллионы лет спустя, высокоразвитаяцивилизация могла бы использовать законы физики, чтобы покинутьнашу Вселенную и начать процесс возрождения в другой, болеегостеприимной вселенной или вернуться назад — в то время, когдаВселенная была теплее.
Поток новых данных, которые мы получаем в настоящий момент,современная техника, такая, как космические спутники, способныесканировать небо, новые детекторы гравитации, а также близящеесязавершение строительства новых ускорителей частиц размером сгород, дают физикам уверенность в том, что мы вступаем в золотойвек космологии. Словом, это благодатное время для физиков и всех,кто пускается на поиски знаний о происхождении и судьбе нашейВселенной.
ЧАСТЬ I
ВСЕЛЕННАЯ
ГЛАВА 1
Детские фотографии Вселенной
Поэт лишь желает подняться головой к небесам. Логик же пытается затолкать небеса к себе в голову. Его-то голова и раскалывается.
Г. К. Честертон
В
детстве я испытывал внутренний дискомфорт, связанный с тем,что я и мои родители исповедовали разные религии. Родителибыли воспитаны в буддийских традициях. Я же каждую неделю ходилв воскресную школу, где с увлечением слушал библейские сказания окитах, ковчегах, соляных столпах, ребрах и яблоках. Я был очарованэтими притчами Ветхого Завета, в воскресной школе мне нравилисьименно они. Эти притчи о великих потопах, пылающих кустах и рас-ступающихся пучинах увлекали меня гораздо сильнее буддийскихпеснопений и медитаций. По сути, эти древние сказания о героизмеи вселенской трагедии ярко иллюстрировали глубокие моральныепринципы; уроки этики, вынесенные из них, остались со мной навсю жизнь.
Тогда мы как раз изучали Книгу Бытия. Читать о Боге, громоглас-но вещающем с небес «Да будет Свет!», было намного интереснее,чем безмолвно медитировать, погрузившись в размышления о гряду-щей Нирване. Из наивного любопытства я спросил нашу учительни-цу: «А была ли у Бога мать?» Обычно она отвечала на вопросы безмалейшей запинки, у нее всегда имелась под рукой притча с глубокойморалью. Однако на этот раз оказалось, что я захватил ее врасплох.
Нет, — ответила она с ноткой сомнения. — Наверное, у Богане было матери.
Но тогда откуда же взялся сам Бог? — спросил я.
Она смущенно пробормотала, что проконсультируется по этомувопросу со священником.
Мне и невдомек было, что я случайно коснулся одного из труд-нейших вопросов теологии. Я был озадачен, потому что в буддизмеБога-Творца просто не существует, есть лишь вечная Вселенная безначала и без конца. Какое-то время спустя, начав изучать великиемифологии мира, я узнал о существовании двух космологическихконцепций. Первая основывалась на представлении о том, что Богсоздал Вселенную за одно мгновение, вторая же утверждала, чтоВселенная была и пребудет вечно.
«Не может же и то, и другое быть верным», — думал я.
Позднее я обнаружил, что сходные мотивы пронизывают пре-дания и в других культурах. Например, в китайской мифологии вна-чале было космическое яйцо. Бог-ребенок Пань-гу чуть ли не целуювечность находился внутри яйца, которое покачивалось на волнахбезграничного моря Хаоса. Когда же наконец Пань-гу вылупилсяиз яйца, он стал стремительно расти, прибавляя в росте более трехметров в день, так что верхняя половинка яичной скорлупы сталанебесным сводом, нижняя же — земной твердью. Через 18 тысячлет Пань-гу умер, дав начало нашему миру: кровь его стала реками,глаза — Солнцем и Луной, а голос — громом.
В мифе о Пань-гу повторяется идея, встречающаяся во многихдругих религиях и древних мифологиях, — о том, что Вселеннаяначала свое существование creatio ex nihilo (будучи сотвореннойиз ничего). В греческой мифологии Вселенная возникла из Хаоса(в сущности, само слово «хаос» происходит от греческого слова,означающего «бездна»). Эта пустота, лишенная каких-либо четкихчерт, часто представляется как некий Океан, например в вавилон-ской и японской мифологиях. Тот же мотив прослеживается вдревнеегипетской мифологии, где бог солнца Ра появляется из яйца,покачивающегося на волнах Океана. В полинезийских мифах вме-сто космического яйца фигурирует скорлупа кокоса. В верованияхмайя эта история подавалась в варианте, где Вселенная однаждывозникла, но через каждые пять тысяч лет она умирает, чтобы воз-
рождаться вновь и вновь, повторяя бесконечный цикл рождений иразрушений.
Эти мифы creatio ex nihilo представляют собой ярко выраженныйконтраст с космологией буддизма и некоторых форм индуизма.В мифологиях этих религий Вселенная вечна, она не имеет ни начала,ни конца. Есть различные уровни существования, высшим из кото-рых является Нирвана, уровень вечный, достичь которого можнолишь при помощи медитации. В индуистской Махапуране написано:«Если Бог создал мир, то где же Он был до Создания?.. Знайте, чтомир не был создан, равно как не было создано время, они не имеютни начала, ни конца».
Эти мифологии противоречат друг другу, не находя компромис-са. Они взаимоисключающи: либо у Вселенной было начало, либо егоне было. Очевидно, что здесь отсутствует возможная точка сопри-косновения.
Однако сегодня, кажется, зарождается некое разрешение этогоспора, приходящее из совершенно нового мира — мира науки. Егопредлагают последние поколения мощных научных приборов иаппаратов, способных летать в открытом Космосе. Объясняя проис-хождение мира, древняя мифология основывалась лишь на мудростирассказчика. Сегодня ученые, активно используя космические спут-ники, лазеры, детекторы гравитационных волн, интерферометры,высокоскоростные суперкомпьютеры, а также Интернет, совершилимощный прорыв в науке. Тем самым они революционизировалинаше понимание Вселенной и представили нам самую убедительнуюиз когда-либо существовавших точку зрения на ее возникновение.
Таким образом, на основе полученных новых данных постепен-но происходит великий синтез двух противостоящих мифологий.Возможно, предполагают ученые, мир рождается многократно ввечном Океане Нирваны. В свете нынешних представлений нашуВселенную можно сравнить с пузырьком воздуха, свободно плава-ющим во вселенском «океане», где постоянно образуются новыепузырьки. Согласно этой теории, вселенные образуются непре-рывно, словно пузырьки при кипении воды, и разлетаются по бес-конечному пространству, гиперкосмической нирване, обладающейодиннадцатью измерениями. Все больше физиков полагает, что нашаВселенная действительно появилась в результате огненного ката-
клизма, Большого Взрыва, сосуществуя в вечном Океане с другимивселенными. Если это так, то Большие Взрывы происходят даже сей-час, когда вы читаете это предложение.
Физики и астрономы во всем мире строят гипотезы о том, как мо-гут выглядеть эти параллельные миры, какие законы в них действуют,откуда они произошли и как в конце концов погибнут. Возможно, па-раллельные миры пустынны и не содержат неких жизненно важныхкомпонентов. А возможно, они практически не отличаются от нашейВселенной и отделены от нее всего одним существенным событиемоизошедшим или не произошедшим), которое и стало причинойих различия. По предположениям некоторых физиков, если когда-нибудь жизнь в существующей ныне Вселенной станет невозможнойиз-за ее старения и остывания, может так случиться, что нам придетсяее покинуть и искать прибежища в другой вселенной.
Основанием для этих новых теорий служит огромный при-ток данных с космических спутников, по мере того как они фото-графируют останки самого творения. Примечательно, что ученыесейчас сосредоточиваются на том, что произошло всего лишь через380 ООО лет после Большого Взрыва, когда «зарево» создания впер-вые полностью осветило Вселенную. Возможно, наиболее подроб-ная картина творения была получена с помощью нового аппарата,который называется WMAP — зонд микроволновой анизотропииУилкинсона.
Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона
«Невероятно!», «Новая веха!» —так восклицали в феврале 2003 го-да обычно сдержанные астрофизики, описывая драгоценные данные,полученные с последнего спутника. Зонд микроволновой анизотро-пии Уилкинсона (спутник WMAP), названный в честь крупнейшегоастрофизика Дэвида Уилкинсона и запущенный в 2001 году, пред-ставил ученым беспрецедентно точную и детальную картину раннейВселенной, возраст которой не превышал 380 000 лет. Колоссальнаяэнергия, которая вырвалась из первоначального огненного облака,давшего начало звездам и галактикам, продолжает циркулироватьв нашей Вселенной уже миллиарды лет. И вот ее засняли на пленкув мельчайших деталях с помощью микроволнового анизотропного
зонда Уилкинсона. Эта съемка принесла нам невиданную доселе кар-ту поразительно четкую фотографию неба, на которой можно уви-деть микроволновое излучение — результат того самого БольшогоВзрыва. Журнал «Times» назвал это излучение «эхом творения».И теперь астрономы всегда будут видеть небо в новом свете.
Джон Бакал из Принстонского института передовых исследова-ний назвал открытия спутника WMAP своеобразным «ритуалом,сопровождающим переход космологии от предположений к точнойнауке». Впервые данные о раннем периоде истории Вселенной по-зволили космологам точно ответить на древнейший из когда-либозаданных вопросов — на вопрос, который озадачивал и интриговалчеловечество с тех самых пор, как мы впервые подняли глаза и уви-дели неземную красоту ночного неба. Каков возраст Вселенной?Каковы ее параметры? Какая судьба ее ждет?
В 1992 году предыдущий спутник, СОВЕ (космический аппаратдля изучения реликтового излучения), предоставил в наше распоря-жение первые размытые снимки реликтового излучения, пронизы-вающего небеса. Полученные беспрецедентные результаты вызвалии определенное разочарование, поскольку представленная картинаранней Вселенной была несфокусированной. Это не помешало прес-се возбужденно окрестить фотографию излучения «ликом Божиим».Но правильнее было бы сказать, что размытые снимки со спутникаСОВЕ представляли «младенческую фотографию» Вселенной. Еслипосчитать сегодняшнюю Вселенную восьмидесятилетним старцем,то снимки, сделанные спутником СОВЕ (а позднее — зондом микро-волновой анизотропии Уилкинсона), фиксируют ее «новорожден-ной», когда ей и дня еще не исполнилось.
Почему же зонд Уилкинсона смог предоставить нам беспреце-дентные снимки зарождающейся Вселенной? Да потому, что ночноенебо подобно машине времени. Поскольку свет распространяетсяс конечной скоростью, мы видим звезды в небе такими, какими онибыли когда-то, а не такими, каковы они сейчас. Расстояние от Луны доЗемли свет проходит не мгновенно — ему для этого требуется секун-да с небольшим; поэтому, когда мы смотрим на Луну, в действительно-сти мы видим ее такой, какой она была секунду назад- На расстояниеот Солнца до Земли световой луч затрачивает около восьми секунд.Многие из известных нам звезд настолько далеки от нас, что их све-
товому лучу требуется от десяти до ста лет, чтобы достичь пределовнашей видимости. (Иными словами, они находятся на расстоянии отдесяти до ста световых лет от Земли. Световой год чуть меньше деся-ти триллионов километров — именно такое расстояние свет прохо-дит за год.) Световые лучи из отдаленных галактик достигают Землиза сотни миллионов, а то и миллиарды световых лет. Таким образом,они являются источниками «ископаемого» света, при этом некото-рые из них испустили его еще до появления динозавров. Среди самыхотдаленных объектов, которые мы можем наблюдать с помощьютелескопов, есть так называемые квазары, гигантские «космическиемаяки», генерирующие невероятные количества энергии на окраи-нах видимой Вселенной. Они находятся на расстоянии 12-13 млрдсветовых лет от Земли. И вот сегодня зонд Уилкинсона зафиксировалеще более древнее излучение, «зарево» первоначального Взрыва, врезультате которого возникла наша Вселенная.
Иногда космологи для описания Вселенной используют для ил-люстрации Эмпайр Стейт Билдинг, возносящийся над Манхэттеномболее чем на сто этажей. С крыши небоскреба тротуары можноразличить с большим трудом. Условимся, что основание небоскребапредставляет собой зону Большого Взрыва. Тогда, если считать, чтомы смотрим с крыши, отдаленные галактики будут находиться на де-сятом этаже. Квазары, которые еще можно рассмотреть с Земли в те-лескопы, будут на уровне седьмого этажа. А реликтовое космическоеизлучение, измеренное зондом Уилкинсона, поднято над уровнемтротуара на высоту всего лишь около полутора сантиметров. Такимобразом, зонд Уилкинсона предоставил нам возможность вычислитьвозраст Вселенной поразительно точно — с погрешностью всеголишь в 1 %: 13,7 млрд лет.
Запуск зонда Уилкинсона стал результатом более чем десяти-летней напряженной работы астрофизиков. Концепция спутникас зондом Уилкинсона на борту была впервые предложена НАСА в1995 году и одобрена через два года. 30 июня 2001 года сотрудникиНАСА разместили зонд Уилкинсона на борту ракеты «Дельта II» ивывели ракету на орбиту между Солнцем и Землей. Тщательно рас-считанным пунктом назначения стала вторая точка Лагранжа (илиЛ2, одна из точек гравитационного равновесия между Землей, Лунойи Солнцем), которая обеспечивает наилучший обзор. В поле обзора
спутника не попадают ни Солнце, ни Земля, ни Луна, благодаря чемузонд Уилкинсона всегда транслирует четкую картину Вселенной.Спутник полностью сканирует небо с периодичностью в шесть ме-сяцев.
Спутник оснащен самой современной аппаратурой. С помощьювстроенных мощных сенсоров он может уловить слабое микровол-новое излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Это излучениеомывает всю Вселенную, но наша атмосфера его в значительноймере поглощает. Спутник сделан из алюминиевого сплава. Его разме-ры — 3,8 х 5 м, вес — 840 кг. Спутник снабжен двумя телескопами,которые фокусируют микроволновое излучение из окружающегонеба, а затем полученные данные передаются на Землю. Для работыспутнику необходима мощность всего лишь в 419 ватт (что равняет-ся мощности четырех-пяти стандартных электрических лампочек).Зонд Уилкинсона располагается на расстоянии 1,5 млн км от Земли,оставляя далеко за собой все атмосферные колебания, которые скры-вают слабое микроволновое излучение. Именно благодаря такомурасположению спутник может непрерывно сканировать небо.
Свое первое сканирование неба спутник завершил в апреле 2002года. Через полгода было завершено и второе полное сканирование.На сегодняшний день зонд Уилкинсона предоставил нам наиболееполную и точную из всех когда-либо существовавших карту микро-волнового излучения. Существование реликтового микроволновогоизлучения, обнаруженного и зафиксированного зондом Уилкинсона,впервые предсказал Георгий (Джордж) Гамов со своими сотрудника-ми в 1 948 году; они также обращали внимание на то, что это излучениедолжно иметь собственную температуру. Зонд Уилкинсона измерилэту температуру, зафиксировав ее на уровне чуть выше абсолютногонуля, между 2,7249° и 2,725 Г по шкале Кельвина.
Невооруженному глазу карта неба, отсканированная зондомУилкинсона, не покажется интересной: мы увидим лишь беспоря-дочное скопление точек. Однако некоторые астрономы чуть нерыдали над этим скоплением точек, поскольку они представляютиз себя флуктуации, или неравномерности, первоначального огнен-ного катаклизма — Большого Взрыва — сразу после возникнове-ния Вселенной. Эти крошечные флуктуации подобны «семенам»,которые буйно разрослись, когда распустился «бутон» Вселенной.
Сегодня из этих крошечных семян «расцвели пышным цветом» га-лактические скопления и галактики, сверкающие на небесах. Инымисловами, наша Галактика Млечный Путь и все скопления галактиквокруг были когда-то этими крошечными флуктуациями. Измеривраспределение этих флуктуации, мы поймем происхождение галак-тических скоплений из этих точек, вытканных на гобелене ночногонеба.

Эта фотография, сделанная спутником WMAIJ представляет «Вселенную в детстве», то есть такую, какой она была всего лишь через 380 ООО лет после своего возникновения. Каждая точка весьма правдоподобно представляет крошечную квантовую флуктуацию, неравномерность в зареве творения. Все они в результате расширения превратились в галактики и галактические скопления, которые мы наблюдаем сегодня.
Сегодня ученые в выдвижении новых теорий не поспевают запотопом поступающих астрономических данных. В общем, я бы несогласился с тем, что наступает золотой век космологии. (Как нивпечатляет зонд Уилкинсона, достижения его покажутся не такимиуж значительными по сравнению со спутником «Планк», которыйевропейцы собираются запустить в 2007 году. «Планк», как надеют-ся астрономы, даст нам еще более точные картины микроволновогореликтового излучения.) Однако мы вполне можем сказать, что кос-мология наконец вступает в период зрелости. После многолетнегопрозябания в болоте предположений и фантастических гипотезона выходит из тени точных наук. Исторически так сложилось, что
космологи пользовались несколько подмоченной репутацией.Ошеломляющая страстность, с которой они излагали свои гранди-озные теории о возникновении Вселенной, была сравнима со стольже ошеломляющей бедностью их данных. Недаром нобелевскийлауреат Лев Ландау саркастически отмечал, что «космологи частоужасаются, но никогда не сомневаются». Среди ученых-естествен-ников популярна старая поговорка: «Есть предположения, дальшеидут предположения о предположениях, а еще дальше — космоло-гия».
В бытность мою студентом-физиком в Гарварде в конце 1960-хгодов я некоторое время лелеял мысль заняться космологией — меняс детства волновал вопрос о происхождении Вселенной. Однакознакомство с этой наукой показало ее постыдную примитивность.Это была вовсе не та экспериментальная наука, где можно проверятьгипотезы при помощи точных приборов, а скорее груда неопреде-ленных и в высшей степени недоказательных теорий. Космологивели жаркие дискуссии о том, возникла ли Вселенная в результатекосмического взрыва или же она всегда пребывала в устойчивом со-стоянии. Но теорий у них всегда было намного больше, чем данных.Так оно всегда: чем меньше данных, тем жарче споры.
На протяжении всей истории космологии эта нехватка досто-верных данных приводила к жестоким войнам между астрономами,затягивавшимся иногда на десятилетия. (В частности, на некоем на-учном форуме непосредственно перед тем, как Аллан Сэндидж изобсерватории Маунт Уилсон должен был выступить с докладом овозрасте Вселенной, предыдущий оратор объявил с сарказмом: «Все,что вы сейчас услышите, — вранье». А сам Сэндидж, прослышав отом, что группа ученых-соперников добилась определенного успеха,прорычал: « Это все полная чушь. Война так война!»)
Возраст Вселенной
Особенно интересовал астрономов вопрос, каков же истинныйвозраст Вселенной. На протяжении столетий ученые, философы итеологи пытались определить его хотя бы приблизительно, пользуясьединственным доступным им методом — генеалогией человечествасо времен Адама и Евы. В прошлом веке геологи использовали ре-
ликтовое излучение, которое наблюдается в скалах, для получениянаиболее точных данных о возрасте Земли. В свою очередь, зонд ми-кроволновой анизотропии Уилкинсона измерил сегодня эхо самогоБольшого Взрыва, дав нам наиболее надежные данные о возрастеВселенной. Данные зонда Уилкинсона показывают, что Вселеннаявозникла в результате Взрыва, который произошел 13,7 млрд леттому назад.
(В течение многих лет одним из наиболее скользких моментов,неотступно преследующим космологию, было то, что вычисленныйвозраст Вселенной часто оказывался меньше возраста отдельныхпланет и звезд. Причиной тому были ошибки в исходных данных.Предыдущие расчеты возраста Вселенной давали ей от 1 до 2 млрдлет, что противоречило принятому возрасту Земли (4-5 млрд лет) и«старейших» звезд (12 млрд лет). Теперь эти противоречия устра-нены.)
Данные зонда Уилкинсона стали причиной крутого поворота вспоре о том, из чего состоит Вселенная, в вопросе, которым задава-лись еще греки более двух тысячелетий тому назад. На протяжениивсего XX века считалось, что ответ на этот вопрос известен. Проведятысячи скрупулезных экспериментов, ученые пришли к выводу, чтоВселенная в основном состоит примерно из сотни различных эле-ментов, выстроенных в аккуратную периодическую таблицу, начи-нающуюся с водорода. Эта таблица — основа современной химии,и, фактически, ее изучают в каждой средней школе. Зонд Уилкинсонаразрушил эти представления.
Подтверждая ранее проведенные эксперименты, зонд Уилкинсонапоказал, что вся видимая материя вокруг нас (включая горы, планеты,звезды и галактики) составляет ничтожную часть (4 96) всей материии энергии во Вселенной. (Большую часть этих 4 % составляют водо-род и гелий, и только где-то около 0,03 % — тяжелые элементы.) Ноподавляющая часть Вселенной состоит из загадочного невидимоговещества абсолютно неизвестного происхождения. Известные эле-менты, из которых состоит наш мир, составляют во Вселенной лишь0,03 %. В каком-то смысле наука отброшена на века назад, во времена,когда еще не было атомической гипотезы, поскольку физики споткну-лись на факте, что во Вселенной преобладают принципиально новые,неизвестные науке формы материи и энергии.
Согласно данным зонда Уилкинсона, Вселенная на 23 % состоитиз неизвестной, неопределенной субстанции, так называемой «тем-ной материи». Она обладает весом и окружает галактики гигантскимореолом, который нам невидим. «Темная материя» настолько везде-суща и ее так много, что в нашей Галактике Млечный Путь она веситв 10 раз больше, чем все звезды вместе взятые. Несмотря на невиди-мость этой неизвестной материи, ученые, используя метод непрямо-го наблюдения, смогли ее «увидеть»: «темная материя» искривляетзвездный свет подобно стеклу, и поэтому ее можно обнаружить постепени создаваемого оптического искажения.
По поводу удивительных результатов, полученных со спутникаWMAP, астроном из Принстона Джон Бакал заявил: «Мы живем вневероятной, просто сумасшедшей Вселенной, но теперь нам извест-ны ее определяющие характеристики».
Однако, наверное, самым большим сюрпризом из данных, по-лученных спутником WMAP и потрясших все научное сообщество,стал факт, что 73 % Вселенной, ее большая часть, состоит из абсолют-но неизвестной формы энергии, называемой «темной энергией»,или невидимой энергией, таящейся в вакуумном пространстве.Введенное самим Эйнштейном в 1917 году, а затем отброшенное(великий физик назвал его своей «величайшей ошибкой») поня-тие «темная энергия», она же энергия пустоты, пустого космоса,теперь снова выходит на авансцену как движущая сила Вселенной.Ученые считают, что «темная энергия» создает антигравитационноеполе, которое тянет галактики в разные стороны, и конечная судьбаВселенной будет определяться именно «темной энергией».
На данный момент никто и представить не может, откуда взяласьэта «энергия пустоты».
«Откровенно говоря, мы этого просто не понимаем. Нам извест-но ее воздействие, но у нас нет ключа к разгадке... ни у кого нет ни еди-ного ключа», — признает Крейг Хоган, астроном из Университетаим. Дж. Вашингтона в Сиэтле.
Если взять новейшую теорию субатомных частиц и попытатьсявычислить значение этой «темной энергии», мы получим число,которое отклоняется от нормы на 10120 (это единица, за которойследуют 120 нулей). Такое расхождение между теорией и экспери-ментом — величайший за всю историю пробел в науке. Это одно
из наших непреодолимых (по крайней мере, в настоящее время)препятствий — даже с помощью лучшей из наших теорий мы неможем вычислить значение величайшего источника энергии во всейВселенной. Безусловно, целая куча Нобелевских премий ожидаетпредприимчивых ученых, которые смогут раскрыть тайны «темнойэнергии» и «темной материи».
Расширение
Астрономы до сих пор пытаются справиться с лавиной данных, при-несенных спутником WMAP. По мере того как эта лавина сметаетустаревшие концепции Вселенной, в космологии вырисовываетсяновая картинка.
«Мы заложили фундамент единой, непротиворечивой теориикосмоса», — заявляет Чарльз Л. Беннетт, руководитель международ-ной команды, принимавшей участие в обработке и анализе данных соспутника WMAP.
На данный момент ведущей теорией является «инфляционнаятеория Вселенной», то есть усовершенствованная теория БольшогоВзрыва, впервые предложенная Аланом Гутом* из Массачусетскоготехнологического института. По инфляционной теории, в первуютриллионную долю секунды загадочная антигравитационная силавынудила Вселенную расширяться намного быстрее, чем считалосьраньше. Инфляционный период был невообразимо взрывным, приэтом Вселенная расширялась со скоростью, намного превышающейскорость света. (Это не противоречит заявлению Эйнштейна, что«ничто» может перемещаться быстрее света**, поскольку расширя-ется пустое пространство. Что же касается материальных объектов,то они не могут перескочить световой барьер.) Итак, за ничтожнуюдолю секунды Вселенная невообразимо расширилась — в 10S0 раз.
* Его фамилию (Guth) часто также транскрибируют как «Гус». — Здесь и далее прим. ред.,если не указано иначе.
** Хотя общепринятый перевод этого высказывания Эйнштейна — «Ничто не можетперемещаться быстрее света», в данном контексте адекватен именно вышеуказанныйдословный перевод, поскольку автор таким образом обыгрывает это высказывание,приравнивая «ничто» к пустому пространству.
Чтобы вообразить себе интенсивность инфляционного периода(или инфляционной эпохи), представьте себе воздушный шарик с
нарисованными на его поверхности галактиками, который быстронадувают. Видимая Вселенная, заполненная звездами и галактиками,лежит на поверхности воздушного шарика, а не внутри его. Теперьпоставьте на шарике микроскопическую точку. Эта точка и есть ви-димая Вселенная, то есть все, что мы можем наблюдать при помощинаших телескопов. (Для сравнения: если бы видимая Вселенная быларазмером с субатомную частицу, то вся Вселенная была бы намногобольше той реальной видимой Вселенной, которую мы наблюдаем.)Иными словами, инфляционное расширение было настолько интен-сивным, что теперь существуют целые области Вселенной вне нашейвидимой, которые так навсегда и останутся для нас за пределамивидимости.
Расширение Вселенной было таким интенсивным, что при взгля-де на описанный шарик с близкого расстояния он кажется плоским.Этот факт был экспериментально проверен спутником WMAP. Как иЗемля кажется нам плоской, потому что мы очень малы по сравнениюс ее радиусом, так и Вселенная кажется нам плоской лишь потому, чтоона изогнута в гораздо большем масштабе.
Допустив раннее инфляционное расширение, можно без особыхусилий объяснить многие загадки Вселенной, как, например, то, чтоона кажется плоской и однородной. Характеризуя инфляционнуютеорию, физик Джоэл Примак сказал: «Из таких прекрасных теорийеще ни одна не оказывалась ошибочной».
Мультивселенная
Несмотря на то что инфляционная теория согласуется с данными зон-да Уилкинсона, она все же не отвечает на вопрос: что стало причинойрасширения? Что побудило к действию антигравитационную силу,которая «раздула» всю Вселенную? Существует более 50 теорий отом, что стало причиной начала и окончания расширения Вселенной,в результате чего и возникла наша Вселенная. Но единого мнения несуществует. Большинство физиков соглашается с основной идеей остремительном инфляционном периоде, но решающего ответа на во-прос о механизме расширения Вселенной пока не существует.
Поскольку никто точно не знает, почему началось расшире-ние, вполне вероятно, что подобное событие может снова иметь
место — то есть, что инфляционные взрывы могут повторяться.Эта теория была предложена русским физиком Андреем Линде изСтэнфордского университета. Она утверждает, что, какой бы меха-низм ни послужил причиной внезапного расширения Вселенной, онпостоянно находится в действии, заставляя беспорядочно расши-ряться другие, отдаленные области Вселенной.
И тогда крошечный участок Вселенной может внезапно рас-шириться и «образовать почку», пустить побег «дочерней» все-ленной, от которой, в свою очередь, может отпочковаться новаядочерняя вселенная; при этом процесс «почкования» продолжаетсябеспрерывно. Представьте, что вы пускаете мыльные пузыри. Еслидуть достаточно сильно, то можно увидеть, как некоторые из нихделятся, образуя новые, «дочерние» пузыри. Подобным образомодни вселенные могут постоянно давать начало другим вселенным.Согласно этому сценарию, Большие Взрывы происходили все время,происходят и сейчас. Если это верно, то, возможно, мы плаваем вморе таких вселенных, словно пузырек, покачивающийся в океанесреди других пузырьков. По сути, более подходящим словом будет не«Вселенная» (Универсум), а «Мультивселенная» (Мультиверсум).
Линде называет свою теорию вечным, самовоспроизводящимсярасширением, или «хаотическим расширением», поскольку он под-разумевает непрекращающийся процесс постоянного расширенияпараллельных вселенных.
«Расширение заставляет нас предполагать существование много-численных вселенных», — говорит Алан Гут, впервые предложив-ший инфляционную теорию.
Эта теория также предполагает, что от нашей Вселенной, воз-можно, когда-нибудь отпочкуется собственная дочерняя вселенная.Возможно, и наша собственная Вселенная обрела свое существова-ние, отпочковавшись от более древней, более ранней вселенной.
По словам главы Королевского астрономического обществаВеликобритании сэра Мартина Риса, «то, что традиционно называ-лось «Вселенная», может быть лишь частью целого ансамбля. Можетсуществовать бесконечное множество других областей Вселенной,где действуют иные законы. Вселенная, в которой мы появились,принадлежит к необычному подмножеству, которое позволяет раз-виваться сложным формам и сознанию».
Исследования в области Мультивселенной вызвали дискуссиио том, как выглядят другие вселенные, обитаемы ли они и даже воз-можен ли с ними контакт. Ученые Калифорнийского технологиче-ского института, Массачусетского технологического университета,Принстонского университета, а также других научных центров сде-лали расчеты для решения вопроса, не противоречит ли законам фи-зики множественность Вселенных и возможность их достижения.

Появляется все больше теоретических доказательств в поддержку существования Мультивселенной, где целые вселенные могут отпочковываться или «распускать бутоны» из других Вселенных. Если теория подтвердится, то она объединит две величайшие религиозные мифологии: возникновение мира и Нирвану. Тогда возникновение мира происходило бы непрерывно в безвременной Нирване.
М-теория и 11-е измерение
Сама идея параллельных вселенных когда-то рассматривалась учены-ми с изрядной долей подозрения и считалась областью деятельностимистиков, шарлатанов и больших оригиналов. Каждый ученый, осме-ливавшийся работать в области изучения параллельных вселенных,подвергался насмешкам, даже рисковал своей карьерой, посколькувплоть до сегодняшнего дня не существует экспериментального под-тверждения существования параллельных вселенных.
Но в последнее время произошел серьезный прорыв в исследо-ваниях, и теперь лучшие умы планеты интенсивно работают именнов этом направлении. Причиной столь внезапного поворота стало
появление новой струнной теории и ее последней версии, М-теории,которая не только сулит раскрыть природу Мультивселенной, нотакже обещает возможность воочию «увидеть Божий замысел», каккогда-то красноречиво выразился Эйнштейн. Если теория окажет-ся верной, то это будет главным достижением науки за последние2000 лет, с тех самых пор, как древние греки начали поиски единойсвязной и целостной теории Вселенной.
Количество опубликованных работ в области струнной теории,М-теории, впечатляет — они исчисляются десятками тысяч. Этойтеме были посвящены сотни международных конференций. В каждомуниверситете мира либо есть группа, занимающаяся разработкойструнной теории, либо делаются отчаянные попытки ее изучения.Хотя теорию и не проверить при помощи наших несовершенных со-временных приборов, она вызвала живейший интерес математиков,физиков-теоретиков и даже экспериментаторов, которые надеютсяпротестировать периферию Вселенной (конечно, в будущем) при по-мощи тонких детекторов гравитационных волн открытого космоса имощных ускорителей частиц.
В конечном счете эта теория, возможно, ответит на вопрос,который волновал космологов с тех самых пор, как впервые былавысказана идея Большого Взрыва: а что произошло после БольшогоВзрыва?
Для решения такой задачи нам потребуется весь потенциал на-ших знаний в области физики, анализ всех физических открытий,накопленных за века исследований. Иными словами, нам нужна«теория всего», единая теория всех физических сил, действующихво Вселенной. Эйнштейн потратил последние тридцать лет своейжизни, пытаясь создать эту теорию, но ему это не удалось.
На сегодняшний день главной (и, собственно, единственной)теорией, которая может объяснить все многообразие сил, организу-ющих Вселенную, является струнная теория, особенно ее последнеевоплощение — М-теория. («М» означает «мембрана», но можеттакже означать «загадка» (от англ. mystery — тайна, загадка, голово-ломка), «магия» и даже «мать». Хотя, по существу, струнная теорияи М-теория идентичны, М-теория представляет собой более зага-дочную и значительно более сложную структуру, объединяющуюразличные «струнные теории».)
Еще древнегреческие философы предполагали, что все воВселенной может состоять из крошечных частиц, называемых атома-ми. Сегодня же, используя мощные ускорители заряженных частиц,мы можем расщепить атом на электроны и ядро, которые, в свою оче-редь, могут быть расщеплены на еще более мелкие субатомные части-цы. Но вместо открытия стройной и простой системы ученые сталисвидетелями угнетающего факта: из ускорителей вылетают сотнисубатомных частиц со странными названиями, такими, как нейтрино,кварки, мезоны, лептоны, адроны, глюоны, бозоны и прочие. Трудноповерить, что природа на уровне выстраивания фундамента смогласоздать целые джунгли странных атомных частиц, среди которыхможно просто заблудиться.
В основе струнной теории и М-теории лежит идея о том, чтоудивительное разнообразие субатомных частиц, составляющихВселенную, подобно нотам, по которым можно сыграть мелодию наскрипичной струне, или на мембране, натянутой, скажем, как кожабарабана. (Это не совсем обычные струны и мембраны; они суще-ствуют в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве.)
Традиционно физики рассматривали электроны как бесконечномалые точечные частицы. Это означало, что им приходилось вводитьсвою точку для каждой из обнаруженных субатомных частиц, чтоочень сбивало с толку. Но струнная теория говорит, что, если быу нас был супермикроскоп, который позволял бы заглянуть вглубьэлектрона, мы бы увидели, что это никакая не точечная частица, акрошечная вибрирующая струна. Она лишь кажется нам точечнойчастицей, поскольку наши приборы слишком несовершенны.
Эта струна вибрирует с различной частотой и различным ре-зонансом. Если бы мы задели струну, то частота ее вибраций из-менилась бы и она превратилась бы в другую субатомную частицу,например в кварк. Тронь ее опять, и она превращается в нейтрино.Таким образом, мы можем объяснить «метель» субатомных частицразличными по высоте звуками вибрирующей струны. И теперь мыможем считать сотни субатомных частиц, наблюдаемых в лаборато-рии, одним объектом — струной.
В такой терминологии законы физики, тщательно обоснованныетысячелетними экспериментами, являются не чем иным, как зако-нами гармонии, которые справедливы для струн и мембран. Законы
химии — это мелодии, которые можно сыграть на этих струнах.Вся Вселенная представляет из себя божественную симфониюдля «струнного оркестра». А «Замысел Божий», о котором столькрасноречиво говорил Эйнштейн, — это космическая музыка, ре-зонирующая сквозь гиперпространство. (Возникает вопрос: еслиВселенная — это симфония для струнного оркестра, то кто ее автор?Я вернусь к этому вопросу в главе 12.)
Музыкальная аналогия Струнный эквивалент
Нотная запись Математика
Скрипичные струны Суперструны
Ноты Субатомные частицы
Законы гармонии Физика
Мелодии Химия
Вселенная Симфония для струнного оркестра
«Замысел Бога» Музыка, резонирующая сквозьгиперпространство
Композитор ??!
Конец Вселенной
Зонд Уилкинсона не только дал возможность увидеть подробней-ший портрет юной Вселенной, он также открыл нам впечатляющуюкартину того, как наша Вселенная умрет. Та же самая загадочнаяантигравитационная сила, оттолкнувшая (растащившая) галактикидруг от друга в начале времен, теперь толкает Вселенную навстречусудьбе. Раньше астрономы считали, что расширение Вселенной по-степенно замедляется. Теперь мы понимаем, что на самом деле дви-жение Вселенной ускоряется и галактики мчатся от нас прочь со всевозрастающими скоростями. «Вселенная ведет себя, как водитель,притормаживающий на красный сигнал светофора и затем газующийна зеленый», — утверждает Адам Рис из Института космическоготелескопа.
Если какой-либо катаклизм не обратит процесс расширениявспять, то через 150 млрд лет наша Галактика Млечный Путь окажет-
ся довольно одинокой: 99,999 % близлежащих галактик «улетят» запределы видимой Вселенной. Знакомые галактики, которые мы мо-жем наблюдать в ночном небе, умчатся прочь с такой скоростью, чтоих свет никогда не достигнет нас тогдашних. Сами галактики не ис-чезнут, но окажутся слишком далеко, чтобы мы могли наблюдать их всвои телескопы. Хотя сейчас в видимой Вселенной содержится около100 млрд галактик, «всего» через 150 млрд лет видимыми останутсялишь несколько тысяч в близлежащем скоплении галактик. Еще черезнекоторое время вся видимая Вселенная будет ограничена группой,состоящей из 36 галактик, в то время как миллиарды и миллиардыдругих галактик исчезнут за «горизонтом». Такой вариант развитиясобытий объясняется тем, что гравитация в пределах этой местнойгруппы достаточно сильна для того, чтобы преодолеть силы разбега-ния. Ирония состоит в том, что, когда отдаленные галактики исчезнутиз поля зрения, любой астроном из будущей «темной эпохи» будетне в состоянии вообще заметить расширение Вселенной, посколькуместная группа галактик не расширяется. Астрономы сверхдалекогобудущего — если такие будут и займутся исследованием ночногонеба — вряд ли поймут, что Вселенная расширяется; скорее онипридут к заключению, что Вселенная статична и состоит всего лишьиз 36 галактик.
Если эти силы антигравитации будут и дальше действовать в том жедухе, то Вселенная в конце концов погибнет от холода. Вся разумнаяжизнь на планете, замерзая, будет биться в мучительной агонии, по-скольку температура дальнего космоса близка к абсолютному нулю, апри такой температуре даже молекулы еле «шевелятся». В какой-томомент, спустя триллионы триллионов лет, звезды перестанут ис-пускать свет, ихядерный реактор погаснет, израсходовав все топливо,и Вселенная погрузится в вечную ночь. Космическое расширениеприведет к тому, что останется лишь холодная мертвая Вселенная,состоящая из черных звезд-карликов, нейтронных звезд и черныхдыр. А в еще более далеком будущем даже черные дыры отдадут всюсвою энергию, останется лишь безжизненная холодная туманностьпарящих элементарных частиц. В такой блеклой холодной Вселеннойразумная жизнь физически невозможна в принципе. Железные за-коны термодинамики пресекут любую передачу информации в этойледяной среде, и вся жизнь, вне всяких сомнений, прекратится.
В XVIII веке люди впервые осознали, что Вселенная может по-гибнуть от холода. Комментируя гнетущую концепцию о том, чтозаконы физики, по-видимому, обрекают на смерть всю разумнуюжизнь, Чарльз Дарвин писал: «Та вера, которую я питаю в то, чточеловек в далеком будущем будет намного более совершенным су-ществом, делает невыносимой даже саму мысль о том, что он и всесознательные существа обречены на полное вымирание после такогопродолжительного медленного прогресса». К несчастью, последниеданные спутника WMAP, видимо, подтверждают самые худшие опа-сения Дарвина.
Побег в гиперпространство
Существует закон физики, согласно которому разумная жизнь воВселенной в конце концов непременно погибнет. Но существуети закон эволюции, согласно которому при изменении окружаю-щей среды жизнь должна либо покинуть ее, либо адаптироватьсяк ней, либо погибнуть. Поскольку адаптироваться ко Вселенной,несущей ледяную смерть, невозможно, то остаются лишь два вари-анта — либо умереть, либо покинуть эту Вселенную. Возможно ли,что, столкнувшись лицом клицу с неотвратимой смертью Вселенной,цивилизации, отстоящие от нас на триллионы лет, достигнут успеха вразработке технологий, которые позволят покинуть нашу Вселеннуюи на суперкосмической «спасательной шлюпке» отправиться в дру-гую вселенную, намного более молодую и «горячую»? Или же онииспользуют свои высочайшие технологии для построения «времен-ного кольца» и отправятся в свое прошлое, в котором температурана планетах была намного выше?
Некоторые физики, привлекая новейшие достижения науки,построили несколько правдоподобных, хотя и в высшей степенигипотетических схем, которые должны подтвердить реальность соз-дания космических порталов или ворот в другую вселенную. Доскифизических аудиторий по всему миру испещрены абстрактнымиуравнениями: физики вычисляют, возможно ли использование «эк-зотической энергии» и черных дыр для поисков туннеля, ведущегов другую вселенную. Может ли развитая цивилизация, по техноло-гическим разработкам обгоняющая нашу на миллионы и миллиарды
лет, воспользоваться известными законами физики для перехода вдругую вселенную?
Космолог Стивен Хокинг из Кембриджского университета од-нажды пошутил: «Если бы пространственно-временные туннелисуществовали, они были бы идеальным средством быстрого пере-мещения в Космосе. Можно было бы с утра пройти таким туннелемв другой конец галактики и вернуться к обеду».
Если же пространственно-временные туннели и порталы ока-жутся слишком тесными для массового переселения в другую все-ленную, то есть еще один вариант: свести все информационное со-держание развитой разумной цивилизации до молекулярного уровняи пропустить через туннель, а там оно снова организуется в самоесебя. Таким образом, целая цивилизация сможет перенести свои «се-мена» через этот коридор и на новой почве снова расцвести во всейсвоей красе. Гиперпространство перестанет быть игрушкой в рукахфизиков-теоретиков и вполне сможет стать единственным спасени-ем для разумной жизни, оказавшейся в умирающей вселенной.
Но для того, чтобы полностью разобраться в последствияхподобного шага, для начала необходимо понять, как мучительнокосмологи и физики шли к этим поразительным выводам. В книге«Параллельные миры» мы рассмотрим историю космологии, уделяяособое внимание парадоксам, веками наводнявшим эту область на-уки. В конце концов они породили инфляционную теорию, которая,не противореча никаким экспериментальным данным, заставляет насподдержать концепцию существования многочисленных вселенных.
ГЛАВА 2
Парадоксальная Вселенная
Присутствуй я при сотворении мира, дал бы пару советов,как получше обустроить Вселенную.
Альфонс Мудрый
Черт бы побрал эту Солнечную систему! Плохое освещение,планеты слишком далеко, полно комет, задумка слабовата.Я бы сотворил [Вселенную] получше.
Лорд Джеффри
В
пьесе «Как вам это понравится» Шекспир написал бессмертныеслова:
Весь мир — лишь сцена,
Где женщины, мужчины — лишь актеры.
У них свои есть выходы, уходы*.
В Средние века мир был поистине сценой, но сценой маленькой,статичной, состоящей из крошечной плоской Земли, вокруг кото-рой небесные тела следовали по своим совершенным орбитам. Накометы смотрели как на недобрые знамения, предвещающие смертькоролей. Когда в 1066 году яркая комета появилась над Англией, она
В классическом переводе Т. Гцепкиной-Куперник эти слова звучат следующим образом:«Весь мир — театр. В нем женщины, мужчины — все актеры. У них свои есть выходы,уходы», но, поскольку слово stage означает не только «театр», но и «сцену», а автор напротяжении книги проводит аналогию Вселенной именно со сценой, мы дали именнотакой перевод.
привела в ужас саксонскую армию короля Гарольда, и саксы стреми-тельно отступили, проиграв сражение наступающей победоноснойармии Вильгельма Завоевателя, тем самым подготовив сцену и вседекорации для становления современной Англии.
Та же комета проплыла над Англией во второй раз в 1682 году,вновь став причиной восторга и ужаса в Европе. Казалось, каждыйчеловек, от короля до крестьянина, был зачарован этой нежданнойнебесной гостьей, пронесшейся в небесах. Откуда появилась комета?Куда она направлялась и предвестием каких событий служила?
Один богатый джентльмен, астроном-любитель Эдмунд Галлей,был настолько заинтригован кометой, что решил поинтересоватьсямнением одного из величайших ученых того времени, сэра ИсаакаНьютона. Когда он спросил Ньютона, какая сила управляет движе-нием кометы, ученый спокойно ответил, что комета двигалась поэллипсообразной орбите согласно закону обратных квадратов (тоесть сила притяжения, действующая на комету, менялась обратнопропорционально квадрату ее расстояния от Солнца). Ньютон объ-яснил, что на самом деле он давно наблюдал за кометой при помощиизобретенного им телескопа (того самого телескопа-рефлектора,которым в наше время пользуются астрономы всего мира) и та дви-галась в полном соответствии с законом всемирного тяготения, кото-рый он, Ньютон, открыл еще 20 лет назад.
Галлей был невероятно поражен.
Откуда вам это известно ?
Я вычислил это, — ответил Ньютон.
Галлей даже не подозревал, что тайну небесных тел, волновавшуюеще первых людей, обративших взор к небесам, можно разъяснить спомощью нового закона всемирного тяготения.
Пораженный значительностью этого монументального прорыва,Галлей предложил щедро финансировать публикацию новой теории.В 1687 году с помощью Галлея и при его финансовой поддержкеНьютон опубликовал свою грандиозную работу «Математическиеначала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis PrincipiaMathematical). Эта работа была провозглашена тогда (и признаетсясейчас) одной из самых важных из когда-либо опубликованныхв мире. Разом все ученые, не имеющие понятия о других законахСолнечной системы, оказались в состоянии самостоятельно пред-
сказывать с величайшей точностью траекторию движения небесныхтел.
«Начала» стали настолько популярны в салонах и при королев-ских дворах Европы, что поэт Александр Поуп писал:
Был этот мир глубокой тьмой окутан.Да будет свет! И вот явился Ньютон*.
(Галлей понял, что, поскольку орбита кометы представляет со-бой эллипс, то можно вычислить, когда она снова появится надЛондоном. Просмотрев старые записи, он обнаружил, что кометы1531,1607 и 1682 годов были на самом деле одной и тойже кометой.Комету, оказавшую столь сильное влияние на становление современ-ной Англии в 1066 году, на протяжении всей истории видели многиелюди, в том числе Юлий Цезарь. Галлей предсказал, что комета вновьвернется в 1758 году. Когда же комета уже через годы после кончиныГаллея и Ньютона действительно вернулась в предсказанный год наРождество, ее назвали кометой Галлея.)
Ньютон открыл закон всемирного тяготения тогда, когда в связи сэпидемией чумы закрылся Кембриджский университет и ученый былвынужден уехать в свое поместье в Вульсторп. Ньютон с нежностьювспоминал прогулку в тамошнем парке, когда увидел, как упало ябло-ко. Тут он задал себе вопрос, которому в конечном счете сужденобыло изменить ход человеческой истории: если падает яблоко, падаетли также и Луна? В момент гениального озарения Ньютон понял, чтояблоки, Луна, вообще все планеты подчиняются одному и тому жезакону всемирного тяготения, что их падение (точнее, их движение)связано с законом обратных квадратов. Когда Ньютон обнаружил^что математика XVII века слишком примитивна, чтобы описать этотзакон, он изобрел новое направление в математике — вычислитель-ную математику, — чтобы определить скорость падения яблок илун.
* Пер. С. Маршака.
В «Началах» Ньютон изложил также законы механики, которыеопределяют траектории всех земных и небесных тел. Эти «Начала»легли в основу теории конструирования машин, использования энер-гии пара, а также создания локомотивов, которые, в свою очередь,способствовали промышленной революции и развитию современ-
ной цивилизации. В наши дни все небоскребы, мосты и ракеты стро-ятся с учетом ньютоновских законов механики.
Ньютон не только дал нам вечные законы механики; он такжеперевернул наше видение мира, представил совершенно новую кар-тину Вселенной, где таинственные законы, управляющие движениемнебесных тел, были идентичны законам, действующим на Земле.Сцена жизни отныне уже не была окружена наводящими ужас не-бесными знамениями; актеры подчинялись тем же законам, что идекорации.
Парадокс Бентли
Поскольку «Начала» были работой революционной, они вызвалик жизни первые парадоксы в теориях о строении Вселенной. Есливесь мир — сцена, то насколько она велика? Конечен мир или бес-конечен? Это извечный вопрос, которым задавался еще римскийфилософ Лукреций Кар. «Вселенная не ограничена ни в одном на-правлении, — говорил он. — Ведь совершенно ясно, что вещь можетиметь предел лишь в том случае, если вне ее существует что-либо.Поэтому во всех измерениях, будь то вперед или назад, вверх иливниз, Вселенной нет конца».
Но теория Ньютона раскрыла и парадоксы, присущие любой те-ории конечной или бесконечной Вселенной. Простейшие вопросыведут к целой бездне противоречий. Еще греясь в лучах славы, кото-рую принесла ему публикация «Начал», Ньютон обнаружил, что еготеория гравитации изобилует парадоксами. В 1692 году священник,преподобный отец Ричард Бентли, написал обезоруживающе про-стое, но огорчительное для Ньютона письмо. Тот факт, что гравита-ция всегда притягивала и никогда не отталкивала, написал Бентли,означает, что звезды, входящие в какое-либо скопление, естествен-ным образом столкнутся друг с другом. Если Вселенная конечна,то ночное небо вместо того, чтобы быть неизменным и статичным,должно было бы представлять собой сцену невероятного побоища,поскольку звезды при столкновении друг с другом сливались бы вогненные суперзвезды. Но Бентли также обратил внимание на то,что если бы Вселенная была бесконечна, то сила, действующая налюбой предмет, также была бы бесконечной и тянула бы и вправо, и
влево, что стало бы причиной того, что звезды разорвало бы в клочьяв результате огненных катаклизмов.
Поначалу казалось, что Бентли разгромил теорию Ньютона в пухи прах. Либо Вселенная конечна (и слилась в огненный шар), либоона бесконечна (в таком случае все звезды должны разлететься в сто-роны). Оба варианта разрушали новую теорию Ньютона. Эта про-блема впервые в истории обнаружила едва различимые внутренниепарадоксы, свойственные любой теории гравитации при примене-нии ее ко всей Вселенной.
Поразмыслив, Ньютон написал Бентли, что обнаружил слабоеместо в его аргументации. Ученый писал, что считает Вселенную бес-конечной, но совершенно однородной. Таким образом, если звездутянет в какую-то сторону бесконечное количество звезд, то эту силууравновешивает тяготение в противоположном направлении дру-гого бесконечного количества звезд. Все силы во всех направленияхсбалансированы, и это создает статичную Вселенную. Таким обра-зом, если сила гравитации всегда только притягивает, то единствен-ным решением парадокса Бентли будет существование однороднойбесконечной Вселенной.
Ньютон действительно нашел слабое место в аргументацииБентли. Однако он был достаточно умен, чтобы сознавать неубеди-тельность своего ответа. Он признал в письме, что предлагаемое имрешение, несмотря на техническую правильность, было нестабиль-ным внутренне. Однородная, но бесконечная Вселенная Ньютонабыла похожа на карточный домик: на вид устойчивая, она могла рас-сыпаться, стоило ее чуть потревожить. Можно рассчитать, что, дажеесли одна-единственная звезда чуть-чуть качнется, это станет нача-лом цепной реакции и скопления звезд начнут разрушаться. Своимответом Ньютон отсылал к «божественной силе», которая якобы недает развалиться его карточному домику.
«Необходимо воздействие непрерывного чуда, чтобы Солнце извезды, находящиеся в покое, не устремились друг к другу под дей-ствием силы тяготения», — писал он.
Ньютону Вселенная представлялась как гигантские часы, запу-щенные Господом в начале времен и идущие с тех пор, повинуясьтрем законам механики и не требуя божественного вмешательства.Но временами Господу все же приходилось вмешиваться и слег-
ка настраивать механизм Вселенной, чтобы она не разрушилась.(Иными словами, иногда Господу приходилось вмешиваться, чтобыдекорации на сцене творения не развалились и не рухнули на головыактеров.)
Парадокс Ольберса
Кроме парадокса Бентли, существовал еще более интересныйпарадокс, который не могла обойти ни одна теория бесконечнойВселенной. Ольберс задался вопросом, почему ночное небо черное.Еще во времена Иоганна Кеплера астрономы знали, что если быВселенная была однородной и бесконечной, то, куда бы мы ни броси-ли взгляд, мы видели бы небо, освещенное бесконечным количествомзвезд. В какую бы точку ночного неба ни был устремлен наш взгляд,он в конце концов натыкался бы на бесконечное количество звезд имы видели бы небо, залитое бесконечным количеством звездного све-та. Тот факт, Что ночное небо — черное, а не яркое, веками считалсяглубоким космическим парадоксом.
Парадокс Ольберса, подобно парадоксу Бентли, обманчивопрост, но он терзал душу многим поколениям философов и астро-номов. И один парадокс, и второй опираются на наблюдении, что вбесконечной Вселенной гравитационные силы и световое излучениемогут слагаться, что приведет к бесконечным значениям и того, идругого. За сотни лет было предложено множество неверных объ-яснений. Кеплер был настолько обеспокоен этим парадоксом, чтопросто постулировал: Вселенная конечна, находится в оболочке, апотому лишь ограниченное количество звездного света достигаетнаших глаз.
Замешательство, вызванное этим парадоксом, было столь массо-вым (если массой считать ученое сообщество), что, согласно резуль-татам исследования, проведенного в 1987 году, 70% учебников поастрономии давали неверный ответ на этот вопрос, 30.% от ответавоздержались.
Можно было попытаться решить парадокс Ольберса, предпо-ложив, что звездный свет поглощается пылевыми облаками. Именнотакой ответ в 1823 году дал сам Генрих Вильгельм Ольберс, когдавпервые точно сформулировал парадокс. Ольберс написал: «Очень
удачно, что Земля не получает свет из каждой точки небесного свода!Однако при такой невообразимой яркости и температуре, которыев 90 000 раз выше тех, каким мы подвергаемся сейчас, Всевышнийлегко мог создать организмы, способные адаптироваться и к такимэкстремальным условиям». В объяснение того "факта, что Землюне заливает «свет столь же яркий, как и солнечный диск», Ольберспредположил, что, должно быть, пылевые облака поглощают силь-ный жар, делая жизнь на Земле возможной. Например, огненныйцентр нашей Галактики Млечный Путь, который по справедливостидолжен «сжигать» все небо, в действительности скрыт пылевыми об-лаками. Если мы посмотрим в направлении созвездия Стрельца, гденаходится центр Млечного Пути, вместо ослепительного огненногошара нашим глазам предстанет лишь темное пятно.
Но и пылевые облака не могут служить убедительным объясне-нием парадокса Ольберса. За достаточно длительное (чтобы не ска-зать — бесконечное) время пылевые облака поглотят свет бесконеч-ного количества звезд и в конце концов засверкают сами подобнозвездной поверхности. Таким образом, даже пылевые облака должныбы сиять в ночном небе.
По этой логике можно предположить, что чем дальше находитсязвезда, тем слабее ее свет. Факт по сути своей верен, но он не можетслужить ответом. Если мы взглянем на участок ночного неба, тоувидим, что самые далекие звезды действительно тусклые, но чемдальше мы устремляем взгляд, тем больше звезд мы видим. Такого воднородной Вселенной не должно было бы быть — там небо каза-лось бы белым. (Это объясняется тем, что интенсивность звездногосвета, обратно пропорциональная квадрату расстояния до звезды,компенсировалась бы количеством звезд, прямо пропорциональнымквадрату расстояния.)
Как ни странно, первым в истории человеком, решившим пара-докс Ольберса, стал американский автор детективов Эдгар Аллан По,который увлекался астрономией. Перед самой смертью он опубли-ковал многие из своих наблюдений в неоднозначной философскойпоэме под названием «Эврика: Прозаическая поэма». Вот замеча-тельный отрывок:
Будь множество звезд бесконечным, небесный свод был бы
полностью залит светом, таким же, как мы видим в Галактике, —
поскольку не было бы ни единой точки на всем этом фоне, где не было бы звезды. Единственным способом, с помощью которого мы могли бы объяснить пустоты, которые в большом количестве наблюдаем при помощи телескопов, было бы предположение, что расстояние до невидимой части небесного свода настолько велико, что еще ни один луч света оттуда не был в состоянии достичь нас.
В заключение По писал о том, что эта мысль «слишком прекрасна,чтобы не содержать в себе Истину как неотъемлемую свою состав-ляющую».
Это и есть ключ к верному ответу. Возраст Вселенной не бесконе-чен. Рождение мира было. Нашему взгляду доступна лишь некая частьзвездного света. Свету наиболее отдаленных от нас звезд не хватиловремени, чтобы достичь наших взоров. Космолог Эдвард Харрисон,впервые обнаруживший, что По разрешил парадокс Ольберса, на-писал: «Когда я впервые прочел слова По, я был поражен: как могпоэт, в лучшем случае ученый-любитель, 140 лет назад уловить верноеобъяснение, в то время как в наших колледжах до сих пор преподаютобъяснение неправильное?»
В 1901 году шотландский физик лорд Кельвин также нашел верноерешение. Он осознал, что, глядя на ночное небо, мы видим его в про-шлом, а не таким, каково оно сейчас, поскольку скорость света, хотьи гигантская по земным меркам (299 792458 м/с), все же конечнаи свету отдаленных звезд необходимо время, чтобы достичь Земли.По подсчетам Кельвина, для того, чтобы ночное небо 6ь1ло белым,Вселенная должна бы растянуться на сотни триллионов световыхлет. Но поскольку Вселенной не триллионы лет, небо будет толькочерным. (Существует также второй фактор, который способствуетрешению вопроса, почему ночное небо черное; и этот фактор — ко-нечный жизненный цикл звезд, измеряющийся миллиардами лет.)
Недавно появилась возможность экспериментально проверитьправильность этого решения при помощи таких спутников, как кос-мический телескоп Хаббла. Эти телескопы, в свою очередь, позволя-ют нам ответить на вопрос, который задают даже дети: «Как далекоот нас самая далекая звезда? И что лежит за самой далекой звездой?»Чтобы ответить на эти вопросы, астрономы запрограммироваликосмический телескоп Хаббла для решения исторической задачи —заснять самую отдаленную точку Вселенной. Для того чтобы уловить
чрезвычайно слабые сигналы из отдаленнейших уголков Космоса,телескопу предстояло выполнить беспрецедентную работу: быть на-правленным в одну и ту же точку в небе рядом с созвездием Орионана протяжении нескольких сотен часов, что требовало точнейшейнастройки телескопа на протяжении четырех сотен оборотов Земли.Проект был столь сложен, что его выполнение растянулось более чемна четыре месяца.
В 2004 году на первых полосах газет всего мира была опубликова-на ошеломляющая фотография. На ней — скопление десяти тысячранних галактик, возникших из хаоса Большого Взрыва. «Возможно,нам довелось увидеть конец начала», — заявил Антон Коукемоуриз Научного института космического телескопа. На фотографииизображено беспорядочное скопление рождающихся галактик нарасстоянии более 13 млрд световых лет от Земли — то есть пона-добилось более 13 млрд световых лет для того, чтобы их свет достигЗемли. Поскольку самой Вселенной лишь 13,7 млрд лет, это означает,что галактики сформировались примерно через полмиллиарда летпосле возникновения Вселенной, когда первые звезды и галакти-ки рождались из «кипящего бульона» газов, оставшихся послеБольшого Взрыва. «Хаббл переносит нас на расстояние, откуда кам-нем докинуть до Большого Взрыва», — заявил астроном МассимоСтивавелли из того же института.
Но тут возникает вопрос: что лежит за пределами самой далекойгалактики? При внимательном рассмотрении этой замечательнойфотографии становится понятно, что между галактиками — лишьтьма. Именно эта тьма является причиной того, что ночное небо —черное. Это последняя граница, за которой мы не видим света даль-них звезд. Однако эта «тьма» и сама является реликтовым микровол-новым излучением. Таким образом, окончательный ответ на вопрос,почему ночное небо черное, таков: на самом деле ночное небо совсемне черное. (Если бы наши глаза каким1™ образом могли восприни-мать микроволновое излучение, а не только видимый спектр, мы быувидели излучение, порожденное Большим Взрывом и наполняющееночное небо. В каком-то смысле, излучение Большого Взрыва по-является каждую ночь. Если бы наши глаза могли улавливать микро-волны, мы бы увидели, что за самой далекой звездой обретается самотворение.)
Эйнштейн-мятежник
Законы, открытые Ньютоном, так хорошо объясняли мир, что на-уке понадобилось более двухсот лет, чтобы сделать очередной се-рьезный шаг. Этот шаг был связан с работой Альберта Эйнштейна.Начало его карьеры никак не предвещало такой революции в науке.Получив степень бакалавра в Политехническом институте в Цюрихе(Швейцария), в 1900 году, Эйнштейн обнаружил, что получить рабо-ту нет никакой надежды. Его карьеру разрушили его же преподавате-ли, не любившие самонадеянного дерзкого студента, который частосрывал занятия. Тоскливые безысходные письма свидетельствуюто тяжелой депрессии. Альберт считал себя неудачником и тяжелойобузой для родителей. В одном горьком письме он признавался, чтодаже собирался свести счеты с жизнью: «Несчастье моих бедных ро-дителей, у которых за столько лет не было ни единой минуты счастья,тяжелее всего давит на мои плечи... Я лишь обуза для родственников...Наверняка было бы лучше, если бы я вообще не жил», — с горечьюписал он.
В отчаянии Альберт подумывает о том, чтобы бросить науку и по-ступить в страховую компанию. Он даже взялся за частные уроки, нопоспорил с работодателем и его уволили. Когда подруга ЭйнштейнаМилева Марик неожиданно забеременела, он сознавал, что ребенокостанется незаконнорожденным, потому что на женитьбу у него нетсредств. (Никто не знает, что в конце концов стало с его незаконно-рожденной дочерью Лизераль.) Глубокое потрясение, которое ис-пытал Эйнштейн, когда внезапно умер его отец, оставило в душе не-заживающую рану, от которой он так никогда и не излечился. Ученыйвсегда помнил, что отец умер, считая сына неудачником.
Хотя 1901-1902 годы были самым трудным периодом в жизниЭйнштейна, от забвения его спасла рекомендация сокурсника,Марселя Гроссмана, который, потянув «за кое-какие ниточки», обе-спечил Эйнштейну работу скромного клерка в Швейцарском патент-ном бюро в Берне.
Парадоксы относительности
На первый взгляд, патентное бюро было не самым перспективнымместом, где могла начаться величайшая со времен Ньютона револю-
ция в физике. Но были у этой службы и свои преимущества. Быстроразделавшись с заявками на патенты, загромождавшими его стол,Эйнштейн откидывался на стуле и погружался в детские воспомина-ния. В молодости он прочел «Естественнонаучные книги для народа»Аарона Бернштейна, «работу, которую я прочел, затаив дыхание»,вспоминал Альберт. Бернштейн предлагал читателю представить, чтотот следует параллельно с электрическим током, когда тот передаетсяпо проводам. В 16 лет Эйнштейн задал себе вопрос: на что был быпохож луч света, если бы его можно было догнать? Он вспоминал:«Такой принцип родился из парадокса, на который я натолкнулся в16 лет: если я гонюсь за лучом света со скоростью с (скорость светав вакууме), я должен наблюдать такой луч света как пространственноколеблющееся электромагнитное поле в состоянии покоя. Однако,кажется, такой вещи не может существовать — так говорит опыт, итак говорят уравнения Максвелла». В детстве Эйнштейн считал, чтоесли двигаться параллельно лучу света со скоростью света, то светбудет казаться замерзшим, подобно застывшей волне. Однако никтоне видел замерзшего света, так что тут явно что-то было не так.
В начале нового века существовали в физике два столпа, на кото-рых покоилось все: ньютоновская теория механики и гравитации итеория света Максвелла. В 1860-е годы шотландский физик ДжеймсКларк Максвелл доказал, что свет состоит из пульсирующих элек-трических и магнитных полей, постоянно переходящих друг в друга.Эйнштейну же предстояло открыть, к его великому потрясению, чтоэти два столпа противоречат друг другу, и одному из них предстоялорухнуть.
В уравнениях Максвелла он обнаружил решение загадки, котораяпреследовала его на протяжении 10 лет. Эйнштейн нашел в них то,что упустил сам Максвелл: уравнения доказывали, что свет пере-мещается с постоянной скоростью, при этом было совершенно не-важно, с какой скоростью вы пытались догнать его. Скорость светас была одинаковой во всех инерциальных системах отсчета (то естьсистемах отсчета, двигающихся с постоянной скоростью). Стоялили вы на месте, ехали ли на поезде или примостились на мчащейсякомете, вы бы обязательно увидели луч света, нес)шщйся впереди васс постоянной скоростью. Неважно, насколько быстро вы двигалисьбы сами, — обогнать свет вам не под силу.
Такое положение дел быстро привело к появлению множества па-радоксов. Представьте на миг астронавта, пытающегося догнать лучсвета. Астронавт стартует на космическом корабле, и вот он несетсяголова в голову с лучом света. Наблюдатель на Земле, ставший свиде-телем этой гипотетической погони, заявил бы, что астронавт и лучсвета двигаются бок о бок. Однако астронавт сказал бы нечто иное, аименно: луч света уносился от него вперед, как если бы космическийкорабль находился в состоянии покоя.
Вопрос, вставший перед Эйнштейном, заключался в следующем:как могут два человека настолько по-разному интерпретироватьодно и то же событие? По теории Ньютона, луч света всегда мож-но догнать; в мире Максвелла это было невозможно. Эйнштейнавнезапно озарило, что уже в фундаментальных основах физики та-ился фундаментальный же изъян. Эйнштейн вспоминал, что весной1905 года «в моей голове разразился шторм». Он наконец нашелрешение: время движется с различными скоростями в зависимости отскорости движения. По сути, чем быстрее двигаться, тем медленнеедвижется время. Время не абсолютно, как когда-то считал Ньютон.По Ньютону, время однородно во всей Вселенной и длительностьодной секунды на Земле будет идентична одной секунде на Юпитереили Марсе. Часы абсолютно синхронизированы со всей Вселенной.Однако, по Эйнштейну, различные часы во Вселенной идут с различ-ными скоростями.
* Примечания автора, обозначенные цифрами в квадратных скобках, см. в конце книги(стр.403).
Эйнштейн понял, что если бы время могло меняться в зависимо-сти от скорости^*, то другие величины, такие, как длина, масса иэнергия, также должны меняться. Он обнаружил, что чем быстреетело двигается, тем более оно сокращается в направлении движения(что иногда называют «сокращением Лоренца-Фицджеральда»).Подобным образом, чем быстрее вы двигаетесь, тем тяжелее вы ста-новитесь. (По сути, когда вы приблизитесь к скорости света, времязамедлится до полной остановки, ваши размеры сократятся до полно-го нуля, а ваша масса возрастет до бесконечности — все это полныйабсурд. Это причина того, что нельзя превысить световой барьер,который является скоростным пределом во Вселенной.)
Это странное искажение пространства-времени склонило некое-го поэта написать следующее:
Жил-был парень по имени Фиск,Фехтуя, он был крайне быстр,И так был он быстр во владении,Что Фицджёральдово сокращениеПревратило рапиру в диск.
Подобно тому как прорыв Ньютона объединил земную и не-бесную физику, Эйнштейн объединил время и пространство. Ноон также показал, что материя и энергия взаимосвязаны и потомумогут переходить друг в друга. Если объект становится тем тяжелее,чем быстрее он движется, это означает, что энергия движения транс-формируется в материю. Обратное также Справедливо — материяможет быть преобразована в энергию. Эйнштейн подсчитал, сколькоэнергии будет преобразовано в материю, и вывел формулу Е = тс2, тоесть даже крошечное количество материи m умножается на огром-ное число (квадрат скорости света) при превращении в энергию Е.Таким образом, был обнаружен таинственный источник энергиизвезд — им оказалось преобразование материи в энергию согласноуравнению, которое справедливо для всей Вселенной. Тайну звездоказалось возможным раскрыть благодаря простому утверждению,что скорость света одинакова во всех инерциальных системах от-счета.
Так, как когда-то Ньютон, Эйнштейн изменил наш взгляд на под-мостки жизни. В мире Ньютона все актеры точно знали, который часи как измеряется расстояние. Ход времени и размеры сцены никогдане менялись. Но относительность принесла нам причудливое по-нимание пространства и времени. Во Вселенной Эйнштейна наруч-ные часы каждого актера показывают свое время. Это означает, чтосверить все часы, тикающие на сцене, невозможно. На репетицию,назначенную в полдень, разные актеры явятся в разное время. И во-обще, когда актеры бегают по сцене, происходят вещи необыкновен-ные. Чем быстрее они двигаются, тем медленнее тикают их часы и темболее тяжелыми и плоскими становятся их тела.
Потребовались годы, чтобы широкое научное сообщество при-няло взгляды Эйнштейна. Но сам Эйнштейн не стоял на месте; он
хотел применить свою новую теорию относительности к самой гра-витации. Он осознавал всю сложность своего предприятия — в оди-ночку заниматься самой прогрессивной и «тяжеленной» теориейсвоего времени, точнее, опережающей свое время. Макс Планк, соз-датель квантовой теории, предостерегал Эйнштейна: «Как старшийдруг я должен предупредить тебя, чтобы ты не делал этого, ибо, во-первых, ты не добьешься успеха, а даже если и добьешься, никто тебене поверит».
Эйнштейн понимал, что его новая теория относительностиразрушала теорию гравитации Ньютона. По Ньютону, гравитацияраспространялась во Вселенной мгновенно. Но тут возникает во-прос, который иногда задают даже дети: «Что будет, если Солнце ис-чезнет?» По Ньютону, вся Вселенная тут же станет свидетельницейисчезновения Солнца. Но по теории относительности это невоз-можно, поскольку информация об исчезновении звезды ограниченаскоростью овета. Согласно теории относительности, внезапноеисчезновение Солнца вызвало бы сферическую ударную волну гра-витации, распространяющуюся во все стороны со скоростью света.Наблюдатели, находящиеся с внешней стороны ударной взрывнойволны, сказали бы, что Солнце продолжает светить, поскольку грави-тация еще не успела достичь их. Но наблюдатель внутри волны сказалбы, что Солнце исчезло. Для разрешения этой проблемы Эйнштейнввел совершенно новые понятия пространства и времени.
Сила как искривление пространства
Ньютон понимал пространство и время как огромную пустую арену,где события происходят в соответствии с его законами механики.Когда-то сцена была полна чудес и тайн, но, по существу, оставаласьинертной и неподвижной, лишь пассивной свидетельницей ритуаль-ного танца природы. Однако Эйнштейн перевернул это представле-ние. Для Эйнштейна сама сцена становится важной составляющейжизни. Во Вселенной Эйнштейна пространство и время уже не былистатичной сценой, как предполагал (и предписывал) Ньютон, — ониприобрели динамичность, изгибались и извивались причудливымобразом. Представьте, что сцену жизни заменил батут, на которомвсе актеры мягко проседают под собственным весом. При таком по-
ложении дел мы увидим, что сцена становится столь же важной, каки актеры.
Представьте, что на кровать положили шар для игры в боулинг ион мягко утопает в матрасе. Теперь подтолкните небольшой шарикпо искривленной поверхности матраса. Шарик будет двигаться.Ньютонианец, увидев с большого расстояния шарик, огибающийбольшой шар, пришел бы к выводу, что существует некая таинствен-ная сила, с которой шар для игры в боулинг воздействует на малень-кий шарик. Он сказал бы, что шар для боулинга мгновенно воздей-ствует на маленький шарик, притягивая его к центру.
Для релятивиста, который наблюдает движение шарика с близкогорасстояния, совершенно ясно, что никакой силы не существует вооб-ще. Есть лишь искривление матраса, которое и заставляет шарик дви-гаться по кривой. Он говорит: «При чем тут притяжение? Есть лишьдавление, которое оказывает матрас на маленький шарик. Теперьвозьмем вместо шарика Землю, вместо большого шара — Солнце, авместо матраса — Космос, и мы поймем, что Земля движется вокругСолнца не из-за гравитационного притяжения, а потому, что Солнцеискажает космическое пространство вокруг Земли и тем создает дав-ление, заставляющее Землю двигаться по окружности.
Таким образом, Эйнштейн пришел к выводу, что гравитация боль-ше похожа на материю, нежели на невидимую силу, действующуюмгновенно в пределах всей Вселенной. Если быстро встряхиватьматерию, то образовавшиеся волны побегут по ее поверхности сопределенной скоростью. Это разрешает парадокс исчезнувше-го Солнца. Если гравитация — побочный продукт искривленияматерии пространства-времени, то исчезновение Солнца можносравнить (вернемся к матрасу) с резким подскоком с постели шарадля игры в боулинг. Когда матрас резко возвращает себе первоначаль-ную форму, по поверхности простыни бегут волны, двигающиесяс определенной скоростью. Таким образом, сведя гравитацию к ис-кривлению пространства и времени, Эйнштейн смог примирить ее стеорией относительности.
Представьте себе муравья, пытающегося бежать по смятому листубумаги. Он будет передвигаться, раскачиваясь, будто пьяный матрос,влево и вправо. Муравей горячо возразил бы, что он не пьян, утверж-дая, что его качает таинственная сила, дергая то влево, то вправо.
Для муравья это ничем не заполненное пространство полно таин-ственных сил, мешающих ему идти прямо. Однако, глядя на муравьяс близкого расстояния, мы видим, что никакая сила его не тянет. Его«толкают» складки мятого листа бумаги. Силы, воздействующие намуравья, — это всего лишь иллюзия, вызванная искривлением про-странства. Воздействие силы — на самом деле лишь «толчок», когдаон перешагивает через складку бумаги. Другими словами, не гравита-ция притягивает, а пространство отталкивает.
В 1915 году Эйнштейну наконец удалось завершить то, что онназвал общей теорией относительности, и это стало фундаментом,на котором покоится вся космология. В этой удивительной картинемира гравитация выступает не как независимая сила, заполняющаяВселенную, а как видимый эффект искривления материи простран-ства-времени. Теория Эйнштейна была так всеобъемлюща, чтоподытожить ее ему пришлось в длиннющем уравнении. В этой бле-стящей новой теории степень искривления пространства и времениопределялась количеством материи и энергии, содержащихся в них.Представьте, что в пруд бросили камень. По поверхности пруда пой-дет рябь, вызванная падением камня. Чем больше камень, тем болеенеровной станет поверхность пруда. Похожим образом, чем большезвезда, тем сильнее искривление пространства-времени, окружаю-щего звезду.
Рождение космологии
Эйнштейн попытался использовать подобный принцип для описа-ния Вселенной как целостного образования. Его ожидало столкнове-ние с парадоксом Бентли. В 1920-е годы большинство астрономов ве-рило в то, что Вселенная однородна и статична. Поэтому Эйнштейнотталкивался от предположения, что Вселенная однородно запол-нена пылью и звездами. В одной из моделей Вселенная сравниваетсяс большим воздушным шаром или мыльным пузырем. Мы живем наего поверхности. Звезды и галактики, которые мы видим вокруг себя,можно сравнить с точками, нарисованными на поверхности воздуш-ного шарика.
К своему удивлению, всякий раз, когда Эйнштейн пытался решитьсобственные уравнения, он приходил к выводу, что Вселенная дина-
мична. Ученый столкнулся с той самой проблемой, которую сформу-лировал Бентли более чем за два столетия до того. Поскольку грави-тация всегда притягивает и никогда не отталкивает, ограниченноеколичество звезд должно взорваться в огненном катаклизме. Однакоэто противоречило господствующему в начале XX века мнению, гла-сившему, что Вселенная как раз статична и однородна.
Несмотря на всю свою революционность, Эйнштейн не мог по-верить, что Вселенная может двигаться. Подобно Ньютону и мно-жеству остальных ученых, Эйнштейн верил в статичную Вселенную.Так, в 1917 году Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравненияновый член, некий «поправочный множитель», он вводил в своютеорию новую, «антигравитационную» силу, которая толкала звез-ды прочь друг от друга. Эйнштейн назвал ее «космологическойконстантой», и она выглядела «гадким утенком», запоздалым допол-нением к его теории. Эйнштейн без достаточных на то оснований,чтобы полностью нейтрализовать силы гравитации, ввел антиграви-тацию, создавая тем самым статичную Вселенную. Другими словами,Вселенная стала статичной просто по воле Эйнштейна: внутреннеесокращение Вселенной благодаря гравитации нейтрализовалосьвнешней силой темной энергии. (На протяжении 70 лет эта антигра-витационная сила считалась в физике чем-то вроде сироты, вплоть дооткрытий последних лет.)
В 1917 году голландский физик Биллем де Ситтер предложил ещеодно решение для уравнений Эйнштейна, где Вселенная была беско-нечной и полностью лишенной всякой материи. По сути, Вселеннаясостояла только из энергии, содержащейся в вакууме, — космоло-гической константы. Этой чистой антигравитационной силы былодостаточно, чтобы вызвать стремительное экспоненциальное расши-рение Вселенной. Даже без всякой материи эта темная энергия могласоздать расширяющуюся Вселенную.
Теперь перед физиками встала дилемма. Во Вселенной Эйнштейнасуществовала материя, но не было движения. Во Вселенной деСиттера было движение, но не существовало материи. Во ВселеннойЭйнштейна космологическая константа оказалась необходимой длянейтрализации гравитационного притяжения и создания статичнойВселенной. Во Вселенной де Ситтера одной космологической кон-станты было достаточно для создания расширяющейся Вселенной.


В 1919 году две команды ученых подтвердили предсказание Эйнштейна, что свет далекой звезды будет искривляться, проходя вблизи Солнца. Таким образом, будет казаться, что звезда несколько изменила свое положение в пространстве, притягиваемая Солнцем. Это происходит потому, что Солнце искривляет пространство-время, окружающее его. Таким образом, гравитация не «притягивает». Это пространство «толкает».
В конце концов в 1919 году, когда Европа, залечивая раны, пыта-лась выбраться из-под руин Первой мировой войны, по всему мирубыли разосланы команды ученых-астрономов для проверки новойтеории Эйнштейна. Эйнштейн предположил, что искривление про-странства-времени Солнцем будет достаточным для искривлениязвездного света, проходящего вблизи Солнца. Величину искривле-ния звездного света можно было точно подсчитать, подобно тому какможно вычислить, насколько стекло искривляет свет. Но поскольку
днем сияние Солнца скрывает все звезды, для проведения решающе-го эксперимента ученым пришлось ждать наступления солнечногозатмения.
Группа, возглавляемая британским астрофизиком АртуромЭддиштоном, отправилась на остров Принсипи в Гвинейском зали-ве (у побережья Западной Африки), чтобы запечатлеть искривлениесвета звезд вокруг Солнца во время будущего солнечного затмения.Другая команда под руководством Эндрю Кроммелина отправиласьв деревню Собраль в Северной Бразилии. Собранные ими данныесвидетельствовали, что средняя величина отклонения звездного све-та равняется 1,79 секунды дуги, что вполне соотносилось с предска-занной Эйнштейном 1,74 дуговой секунды (неточность объясняласьпогрешностью измерений в ходе эксперимента). Иными словами,сеет действительно искривлялся вблизи Солнца. Позднее Эддингтонзаявил, что проверка теории Эйнштейна стала одним из величайшихмоментов его жизни.
6 ноября 1919 года на совместном заседании Королевскогообщества и Королевского астрономического общества в Лондоненобелевский лауреат и президент Королевского общества Дж. Дж.Томсон торжественно объявил, что это «одно из величайших дости-жений в истории человеческой мысли. Это открытие не отдаленногоострова, а целого континента новых научных идей. Это величайшееоткрытие в области гравитации с тех пор, как Ньютон сформулиро-вал свои законы».
(По легенде, позднее некий репортер спросил Эддингтона:«Ходят слухи, что во всем мире лишь трое понимают теориюЭйнштейна. Вы, должно быть, один из них». Эддингтон стоял, ни го-воря ни слова, и репортер добавил: «Не скромничайте, Эддингтон».Эддингтон пожал плечами и ответил: «Я вовсе не скромничаю.Я просто задумался, кто же может быть третьим».)
На следующий день лондонская «Тайме» вышла с сенсационнымзаголовком: «Научная революция — Новая теория Вселенной —Идеи Ньютона низвергнуты». Этот заголовок определил момент,когда Эйнштейн стал фигурой мирового значения, посланцемзвезд.
Заявление было настолько ошеломляющим, а отход Эйнштейнаот идей Ньютона настолько радикален, что в обществе возникла
негативная реакция — даже выдающиеся физики и астрономы осу-дили эту теорию. В Колумбийском университете Чарльз Лейн Пуэр,преподаватель астрономии, возглавил кампанию по критике теорииотносительности. Он объявил: «Я чувствую себя так, будто прогу-лялся с Алисой по стране чудес и побывал на чаепитии у БезумногоШляпника».
Причина, по которой теория относительности противоречитздравому смыслу, заключается не в том, что теория относительностиневерна, а в том, что наш здравый смысл не в состоянии представитьреальность. Мы — странноватое произведение природы. Мы засе-ляем необычный объект недвижимости, где температура, плотностьи скорости довольно умеренны. Однако в «настоящей Вселенной»температуры могут быть невероятно высокими в центре звезды иличрезвычайно низкими в открытом космосе, а субатомные частицыпроносятся в космическом пространстве со скоростью, близкой кскорости света. Другими словами, наш здравый смысл сформиро-вался в крайне необычной темной части Вселенной, на Земле, а по-тому неудивительно, что наш рассудок не может постичь истинныеразмеры Вселенной. Проблема не в теории относительности, а внашем убеждении, что наш рассудок в состоянии объяснить реаль-ность.
Будущее Вселенной
Хотя теория Эйнштейна успешно объясняла такие астрономическиеявления, как искривление звездного света вокруг Солнца и легкоесмещение орбиты Меркурия, все же космологические прогнозыбыли не совсем ясны. Положение вещей в значительной степени про-яснил русский физик Александр Фридман, открывший самые общиеи реалистичные решения уравнений Эйнштейна. И в наши дни этирешения изучаются в курсе общей теории относительности. (Оноткрыл их в 1922 году, умер через три года, и о его работе вспомнилилишь спустя много лет.)
Теория Эйнштейна в общем случае описывается рядом чрезвы-чайно сложных уравнений, для решения которых зачастую необ-ходим компьютер. Однако Фридман предположил, что Вселеннаядинамична, а затем привел два упрощающих допущения (называемые
«космологическим принципом»): Вселенная изотропна (она вы-глядит одинаково вне зависимости от того, в каком направлении мысмотрим из данной точки) и гомогенна (она однородна, в какой быточке Вселенной мы ни находились).
Если применить эти упрощающие допущения, видно, что уравне-ния обретают решения. (По сути, и решение Эйнштейна, и решениеде Ситтера представляли собой лишь частные случаи более общегорешения Фридмана.) Примечательно, что его решения зависелилишь от трех параметров:
Н, определяющая скорость расширения Вселенной (сегодняее называют постоянной Хаббла в честь астронома, которыйдействительно измерил расширение Вселенной).
ω (омега), которая определяет среднюю плотность материи воВселенной.
λ (лямбда), энергия пустого космоса, или темная энергия.
Многие космологи всю свою профессиональную жизнь про-вели в попытках определить точное значение этих трех величин.Неуловимое взаимодействие между этими тремя постояннымиопределяет будущее развитие нашей Вселенной. Например, по-скольку гравитация выражается силами притяжения, то плотностьВселенной ω действует в качестве некоего тормоза, замедляющегорасширение Вселенной. Представьте, что вы подбросили камень.В обычных условиях гравитация достаточно велика, чтобы изменитьдвижение камня, который падает обратно на Землю. Однако еслиподбросить камень с достаточной силой, то он преодолеет действиегравитации и навсегда вырвется в открытый космос. Подобно кам-ню, Вселенная первоначально расширилась в результате БольшогоВзрыва, но материя, ω, действует на расширение Вселенной кактормоз, точно также, как земная гравитация воздействует в качестветормоза на подброшенный камень.
Теперь допустим, что λ, энергия пустого космоса, равна нулю.Пусть ω — плотность Вселенной, разделенная на критическую плот-ность. (Критическая плотность Вселенной равна приблизительно, 10 атомам водорода на кубический метр. Она в среднем соответству-ет одному атому водорода в объеме трех баскетбольных мячей — на-столько пустынна Вселенная.)
Ученые считают, что если величина ω меньше единицы, то воВселенной недостаточно материи, чтобы обратить вспять перво-начальное расширение, вызванное Большим Взрывом. (Подобнопримеру с подброшенным камнем: если масса Земли недостаточновелика, то камень преодолеет земную гравитацию и улетит прочь.)В результате Вселенная будетрасширяться вечно, погружаясь вледеня-щий холод — температуры ее приблизятся к абсолютному нулю. (Этопринцип работы холодильника или кондиционера^. Расширяясь, газохлаждается. Например, газ, циркулирующий в трубке вашего конди-ционера, расширяется, охлаждая трубку и вашу комнату.)
РазмерВселенной
01779905Время
Существует три варианта возможного развития Вселенной. Если ω меньше 1 (а λ равна 0), то Вселенная будет продолжать расширяться
вечно вплоть до Большого Охлаждения. Если ω больше 1, то Вселеннаяпридет к Большому Сжатию. Если ω равна 1, то Вселенная — плоская и будет продолжать расширяться вечно. (Данные со спутника WMAP показывают, что ω и λ в сумме дают единицу, а это означает, что Вселенная плоская.
то вписывается в инфляционную теорию.)
00Время
Существует три варианта возможного развития Вселенной. Если ω меньше 1 (а λ равна 0), то Вселенная будет продолжать расширяться
вечно вплоть до Большого Охлаждения. Если ω больше 1, то Вселеннаяпридет к Большому Сжатию. Если ω равна 1, то Вселенная — плоская и будет продолжать расширяться вечно. (Данные со спутника WMAP показывают, что ω и λ в сумме дают единицу, а это означает, что Вселенная плоская.
то вписывается в инфляционную теорию.)
Если величина ω больше 1, то во Вселенной достаточно материии гравитации, чтобы в конце концов изменить направление космиче-ского расширения. В результате расширение Вселенной прекратится,а затем она начнет сжиматься. (Так же как в случае с подброшеннымкамнем: если масса Земли достаточно велика, то камень в концеконцов достигнет наивысшей точки, а затем снова упадет на Землю.)Когда звезды и галактики устремятся навстречу друг другу, темпера-туры начнут расти. (Каждый, кто хоть раз накачивал велосипеднуюшину, знает, что при сжатии газ нагревается. Механическая работа
накачивания воздуха преобразует энергию гравитации в тепловуюэнергию.) В конце концов температуры станут настолько высо-кими, что всякая жизнь исчезнет, а во Вселенной начнется процесс«Большого Сжатия». (Астроном Кен Кросвелл называет этот про-цесс «от создания к сжиганию».)
Третий вариант заключается в том, что ω равняется 1. Иными сло-вами, плотность Вселенной равна критической плотности. В такомслучае Вселенная балансирует на грани между двумя крайностями, нопри этом она будет продолжать расширяться вечно. (Как мы увидим,этот сценарий развития вписывается в инфляционную картину.)

Если ω меньше 1 (а λ равна 0), то Вселенная открыта, а ее кривизнаотрицательна, как кривизна седла. Параллельные линии никогда не сходятся,а внутренние углы треугольника в сумме дают меньше 180 градусов.
И наконец, существует возможность, что Вселенная послеБольшого Сжатия снова возникнет при очередном Большом Взрыве.Эту теорию называют теорией пульсирующей Вселенной.
Фридман доказал, что каждый из описанных сценариев развитияопределяет кривизну пространства-времени. В случае, если ω мень-ше 1 и Вселенная расширяется вечно, то, по Фридману, бесконечно нетолько время, но и пространство. Такую Вселенную называют «от-крытой», то есть бесконечной во времени и в пространстве. КогдаФридман подсчитал кривизну такой Вселенной, он обнаружил, чтоона отрицательна. (Это похоже на поверхность седла или изогнутойтрубы. Если бы жучок жил на этой поверхности, он бы обнаружил,
что параллельные линии никогда не пересекаются, а внутренние углытреугольника в сумме дают меньше 180 градусов.)
Если ω больше 1, то Вселенная в конце концов придет к БольшомуСжатию. Время и пространство конечны. Фридман открыл, чтокривизна такой Вселенной положительна (она похожа на сферу).И, наконец, если ω равняется 1, то пространство плоское, а время ипространство границ не имеют.

Если ω больше 1, то Вселенная замкнута и ее кривизна положительна, как в сфере. Параллельные линии всегда сходятся, а внутренние углы треугольника в сумме дают больше 180 градусов.
Фридман не только первым применил комплексный подход к кос-мологическим уравнениям Эйнштейна, он также представил наибо-лее реалистичную версию Судного Дня, конца Вселенной: исчезнетли она в леденящем холоде, сгорит ли в Большом Сжатии или же будетпродолжать пульсировать вечно. Ответ определяется ключевыми па-раметрами: плотностью Вселенной и энергией вакуума.
Но в картине, нарисованной Фридманом, зияет дыра. ЕслиВселенная расширяется, это означает, что у нее должно было быть на-чало. Теория Эйнштейна ничего не сообщает о моменте этого начала.Отсутствовал именно момент создания — Большой Взрыв. И вот вконце концов трое ученых представили нам убедительнейнгую кар-тину Большого Взрыва.
ГЛАВА 3
Большой Взрыв
Вселенная не просто удивительнее, чем мы предполагаем;она удивительнее, чем мы можем предположить.
Дж. Б. С. Холдейн
Что мы, люди, ищем в истории создания, — так это способ познания мира, который откроет нам нечто, выходящее за пределы данных опыта, что дает нам знания и одновременно формирует нас в своих пределах. Вот что нужно людям. Вот чего просит душа.
Джозеф Кэмпбелл
О
бложка журнала «Тайм» от 6 марта 1995 года с изображениембольшой спиральной галактики Ml00 гласила: «Космология вхаосе». Космология погрузилась в смятение, потому что последниеданные, полученные с помощью космического телескопа Хаббла,явно указывали на то, что Вселенная моложе, чем ее старейшая звез-да, а это с научной точки зрения невозможно. Данные показывали,что возраст Вселенной от 8 до 12 млрд лет, в то время как некоторыеученые придерживались мнения о том, что старейшие звезды насчи-тывают 14 млрд лет. «Вы не можете быть старше вашей мамочки», —прокомментировал этот факт Кристофер Импей из Аризонскогоуниверситета.
Но раз уж вы прочитали заголовок, выделенный жирным шриф-том, то вы понимаете, что теория Большого Взрыва пребывает в
добром здравии. Доказательства, оспаривающие теорию БольшогоВзрыва, основывались на данных одной-единственной галактикиМ100, а такой метод научных исследований весьма сомнителен. В ста-тье утверждалось, что бреши в теории «столь велики, что сквозь нихлегко прошел бы космический корабль "Энтерпрайз" из телесериала"Стар Трек"». С опорой на необработанные данные космическоготелескопа Хаббла возраст Вселенной можно было вычислить не точ-нее, чем с 10-20-процентной погрешностью.
Я считаю, что теория Большого Взрыва основывается не на до-гадках, а на результатах обработки сотен данных из нескольких ис-точников, которые все вместе подтверждают единую непротиворе-чивую теорию. (В науке не все теории равнозначны. Каждый можетпредложить свою версию создания Вселенной, но при этом необ-ходимо, чтобы такая теория могла объяснить результаты обработкимножества собранных данных, которые легко вписываются в теориюБольшого Взрыва.)
Три великих «доказательства» теории Большого Взрыва осно-ваны на работе троих невероятно талантливых ученых, каждый изкоторых занимал ведущее положение в той области науки, которойзанимался. Это Эдвин Хаббл, Георгий Гамов и ФредХойл.
Эдвин Хаббл, астроном-аристократ
Теоретические основы космологии были заложены Эйнштейном,что же касается современной экспериментальной космологии,то своим созданием она практически полностью обязана ЭдвинуХабблу — возможно, величайшему астроному XX столетия.
Хаббл родился в глухом местечке Маршфилд (штат Миссури).У скромного деревенского парня были тем не мене* большие амби-ции. Отец, адвокат и страховой агент, убеждал его заняться юри-спруденцией. Однако Эдвин был покорен романами Жюля Верна и...очарован звездами. Он жадно глотал классические произведениянаучной фантастики, такие, как «Двадцать тысяч лье под водой» и«Из пушки на Луну». Он прекрасно боксировал, тренеры уговари-вали юношу профессионально заниматься боксом, чтобы со време-нем выйти на поединок с чемпионом мира в тяжелом весе ДжекомДжонсоном.
Хаббл сумел получить престижную стипендию имени Родса дляизучения юриспруденции в Оксфорде, где начал осваивать манерыбританской аристократической элиты. (Он стал носить твидовыекостюмы, курить трубку, добиваться безукоризненного британскоговыговора и рассказывать о дуэльных шрамах, хоть и поговаривали,что он нанес их себе сам.)
Однако счастья Хаббл не испытывал. Его не вдохновляли граж-данские правонарушения и судебные процессы — сердце его с дет-ства принадлежало звездам. Он набрался храбрости и круто изменилжизнь, отправившись из Чикагского университета в обсерваториюМаунт Уилсон в Калифорнии, где находился самый большой в миретелескоп со 100-дюймовым зеркалом. Начав карьеру так поздно,Хаббл очень торопился. Наверстывая упущенное время, он стремил-ся как можно быстрее найти ответы на глубочайшие и древнейшиевопросы в астрономии.
В 1920-е годы Вселенная была удобным местечком. Люди верили,что она состоит лишь из Галактики Млечный Путь, туманной поло-сы света в ночном небе, напоминающей разлитое молоко. (Вообще,слово «галактика» происходит от греческого слова, обозначающегомолоко.) В 1920 году состоялся «Великий спор» между астроно-мами Харлоу Шейпли и Хебером Кертисом из Ликской обсерва-тории. Спор шел на тему «Размер Вселенной» и касался размеровГалактики Млечный Путь и всей Вселенной в целом. Шейпли отста-ивал точку зрения, что Млечный Путь — это и есть вся Вселенная.Кертис считал, что за пределами Млечного Пути находятся «спи-ральные туманности», странные, но очень красивые образованиявращающейся туманной материи. (Еще в XVIII в. Иммануил Кантвысказывал предположение, что эти туманности являются «остров-ными Вселенными».)
Хаббл заинтересовался этим спором. Основной проблемой былото, что определение расстояния до звезд (и до сегодняшнего дня)является для астрономов дьявольски сложной задачей. Яркая, ноочень далекая звезда может выглядеть точно так же, как тусклая, ноближняя звездочка. Эта путаница послужила источником многихсерьезных споров и противоречий в астрономии. Для решения про-блемы Хабблу требовалась так называемая «стандартная свеча»,объект, который испускает одно и то же количество света в любой
точке Вселенной. (Вообще, значительная часть усилий в современ-ной астрономии направлена именно на поиск и калибровку таких«стандартныхсвечей». Многие споры в астрономии ведутся именноо том, насколько в действительности надежны эти «свечи».) Если быдействительно существовала такая свеча, которая горит однороднои с одинаковой интенсивностью в любой точке Вселенной, то звезда,скажем, в четыре раза менее яркая, чем стандартная, просто находи-лась бы вдвое дальше от Земли.
Однажды вечером, когда Хаббл анализировал фотографию спи-ральной туманности Андромеды, у него наступил момент озарения.Он обнаружил в пределах туманности Андромеды разновидностьпеременной звезды (цефеиду), их изучением ранее занималасьГенриетта Ливитт. Было известно, что цефеиды постоянно «раз-горались» и меркли через определенные промежутки времени,при этом время одного полного цикла зависело от яркости звезды.Чем она ярче, тем дольше цикл пульсации. Таким образом, измеривпродолжительность этого цикла, можно определить яркость звез-ды и вычислить расстояние до нее. Хаббл подсчитал, что периодизменения блеска звезды составляет 31,4 дня, что, к его большомуудивлению, соответствовало расстоянию в миллион световых лет, азначит, звезда находилась далеко за пределами Галактики МлечныйПуть. (Светящийся диск Млечного Пути насчитывает лишь 100 ОООсветовых лет в поперечнике. Дальнейшие подсчеты показали, чтоХаббл даже недооценил действительное расстояние до Андромеды,которое приближается к двум миллионам световых лет.)
Проведя такой эксперимент с другими спиральными туманностя-ми, Хаббл обнаружил, что они тоже находятся далеко за пределамиГалактики Млечный Путь. Иначе говоря, ему стало ясно, что спираль-ные туманности представляют собой полноправные «островныевселенные», а Млечный Путь — лишь одна из многих галактик нанебесном своде.
Размер Вселенной вырос буквально на глазах. Оказалось, что онавовсе не состоит из одной галактики, а заполнена миллионами, а воз-можно, и миллиардами сестер-галактик. Вместо 100 ООО световыхлет в поперечнике Вселенная вдруг стала измеряться миллионами, авозможно, и миллиардами световых лет.
Уже одно это открытие обеспечило бы Хабблу законное местов пантеоне великих астрономов. Но ему самому этого было мало.Хаббл намеревался не просто определить расстояние до галактик, нои вычислить, насколько быстро они движутся.
Эффект Допплера и расширяющаяся Вселенная
Хаббл знал, что простейшим способом вычислить скорость отда-ленных объектов является анализ изменений в звуке или свете, кото-рый они испускают, так называемого эффекта Допплера. Машиныиздают звук, проносясь по шоссе. Полицейские пользуются эф-фектом Допплера для вычисления скорости, с которой вы едете.Они направляют на вашу машину луч лазера, который отражаетсяобратно к полицейской машине. Проанализировав изменение ча-стоты света лазера, полицейские могут вычислить скорость вашегодвижения.
Скажем, если звезда движется по направлению к вам, то световыеволны, которые она испускает, складываются подобно мехам аккор-деона. В результате длина волн испускаемого ею света становитсякороче. Желтая звезда будет казаться слегка синеватой (потому чтоволны синего цвета короче, чем желтого). Подобным образом, еслизвезда удаляется от вас, то ее световые волны растягиваются, стано-вятся длиннее, и желтая звезда будет казаться уже красноватой. Чембольше искажение, тем больше скорость звезды. Таким образом, еслимы знаем смещение частоты звездного света, мы можем определитьскорость звезды.
В 1912 году астроном В. Слайфер обнаружил, что галактикиудаляются от Земли с огромной скоростью. Вселенная не простобыла изначально намного больше, чем ранее предполагалось, онаеще и расширялась с огромной скоростью. Он обнаружил, чтогалактики имеют красное смещение, а не синее, что вызвано удале-нием галактик от нас. Открытие Слайфера показало, что Вселеннаядействительно динамична, а не статична, как предполагали Ньютони Эйнштейн.
В те столетия, что ученые изучали парадоксы Бентли и Ольберса,никто не принимал всерьез тезис, что Вселенная расширяется.
В 1928 году Хаббл совершил, можно сказать, судьбоносную поездкув Голландию, где встретился с Виллемом де Ситтером. Хаббла заинте-ресовало предположение де Ситтера, что чем дальше находится га-лактика, тем с большей скоростью она должна двигаться. Представьтевоздушный шарик, на поверхности которого нарисованы галактики.По мере увеличения шарика в объеме «галактики», расположенныенедалеко друг от друга, разносятся (разлетаются) в стороны срав-нительно медленно. Чем ближе они друг к другу, тем медленнее онивзаимно удаляются. Но галактики, находящиеся далеко друг от друга,разлетаются значительно быстрее.
Де Ситтер посоветовал Хабблу найти подтверждение этого яв-ления в собранных им данных, что могло быть достигнуто анализомкрасного смещения галактик. Чем значительнее красное смещениегалактики, тем быстрее она уносится прочь, а значит, тем дальше на-ходится. (По теории Эйнштейна, красное смещение было вызваноне удалением галактики от Земли, а, напротив, расширением про-странства между галактикой и Землей. Происхождение красногосмещения он объяснял тем, что световые волны, испускаемые дале-кой галактикой, удлиняются в связи с расширением пространства, апотому сдвигаются в красную сторону спектра.)
Закон Хаббла
Вернувшись в Калифорнию, Хаббл последовал совету де Ситтераи приступил к поискам доказательств этого положения. Проана-лизировав 24 галактики, он обнаружил, что чем дальше находитсягалактика, тем быстрее она отдаляется от Земли, как и доказалЭйнштейн своими расчетами. Соотношение скорости и расстояниябыло приблизительно постоянным. Эта величина известна как по-стоянная Хаббла, или Н. Возможно, постоянная Хаббла являетсяважнейшим космическим критерием, поскольку она выражает ско-рость расширения Вселенной.
Ученые задумались над тем, что если Вселенная расширяется, тоу нее непременно должно было быть начало. Величина, обратнаяпостоянной Хаббла, позволяет нам определить приблизительныйвозраст Вселенной. Представьте, что вы смотрите видеозапись взры-
ва. Вы видите осколки, улетающие прочь от места взрыва, и можетепримерно вычислить скорость расширения. Но это также означает,что можно отмотать пленку назад, до того момента, когда все осколкиеще составляют единое целое. Зная скорость расширения Вселенной,мы можем перенестись назад и вычислить примерно время, когдапроизошел Большой Взрыв.
(По первоначальной оценке Хаббла, возраст Вселенной — около1,8 млрд лет, что добавило головной боли целым поколениям кос-мологов, поскольку эта цифра меньше, чем предполагаемый возрастЗемли и звезд. Годы спустя астрономы поняли, что ошибки, допу-щенные при измерении света от переменных цефеид в туманностиАндромеды, стали причиной неверного вычисления значения посто-янной Хаббла. По сути, «Хаббловы войны» по поводу уточненногозначения постоянной Хаббла бушевали на протяжении последних70 лет. На сегодняшний день наиболее точную цифру дают данные,полученные спутником WMAP.)
В 1931 году в ходе триумфального посещения Эйнштейномобсерватории Маунт Уилсон он впервые встретился с Хабблом.Признавая, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейнназвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой».(Однако ошибка Эйнштейна способна поколебать до основания всюкосмологию, в чем мы убедимся в дальнейшем, когда будем говоритьо данных, полученных со спутника WMAP.) Когда жена Эйнштейнаосматривала огромную обсерваторию Маунт Уилсон, ей сказали, чтоблагодаря этому гигантскому телескопу можно определить первона-чальный вид Вселенной. Миссис Эйнштейн весело ответила: «Моймуж делает это на обороте старого конверта».
Большой Взрыв
Бельгийский священникЖоржЛеметр, узнавший о теории Эйнштей-на, был очарован идеей, что из этой теории логически вытекает выводо расширяющейся, имеющей начало Вселенной. Он понял, что, по-скольку газы нагреваются при сжатии, Вселенная «начала времен»должна была быть невероятно горячей. В 1927 годуЛеметр заявил,что Вселенная, должно быть, возникла из невероятно горячего и
сверхплотного «первоатома», который внезапно взорвался, дав на-чало расширяющейся Вселенной Хаббла. Он писал: «Эволюциюмира можно сравнить с только что закончившимся фейерверком:несколько огненных облаков, пепел и дым. Стоя на остывшей золе,мы видим, как медленно угасают солнца, и пытаемся воссоздать ис-чезнувшее сияние начала миров».
(Первым человеком, предложившим идею «первоатома» началавремен, был Эдгар Аллан По. Он утверждал, что материя притягиваетдругие формы материи, а значит, в начале времен должно было суще-ствовать космическое скопление атомов.)
Леметр посещал физические конференции и донимал ученыхсвоей теорией. Они благодушно выслушивали его, а затем спокойноотвергали его теорию. Артур Эддингтон, один из ведущих физиковсвоего времени, сказал: «Как ученый, я просто не верю в то, чтосуществующий порядок вещей произошел из Взрыва... Понятие«внезапного начала» для существующего порядка в Природе мнепротивно».
Но настойчивость Леметра постепенно преодолела сопротивле-ние физического сообщества. Ученый, которому предстояло статьважнейшим представителем и популяризатором теории БольшогоВзрыва, в конце концов представил самое убедительное доказатель-ство этой теории.
Георгий Гамов, космический шутник
Работу Хаббла, утонченного аристократа от астрономии, продолжилне менее талантливый ученый, Георгий (Джордж) Гамов. Во многомГамов являл собой противоположность Хабблу: шутник, карикату-рист, прославившийся розыгрышами и двадцатью занимательныминаучными книгами, многие из которых были предназначены длямолодежи. Несколько поколений физиков (включая и меня) быловоспитано на его занимательных и содержательных книгах по физикеи космологии. В то время, когда теория относительности и квантоваятеория производили переворот в науке и обществе, книги Гамовазанимали особое место, потому что они были достоверным источ-ником информации в вопросах передовой науки, вполне доступнымдаже подросткам.
Ученые менее крупные часто бывают не слишком богаты идеями,они довольствуются разработкой чужих. Гамов же был одним из са-мых плодовитых гениев своего времени, эрудитом, стремительно вы-дававшим на-гора идеи, изменившие ход развития ядерной физики,космологии и даже исследований ДНК. Возможно, не случайно авто-биография Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Крикомраскрыл тайну молекулы ДНК, называется «Гены, Гамов и девушки».Коллега-физик Эдвард Теллер вспоминал: «90 % теорий Гамова былинеправильны, очень легко было понять, что они неправильны. Но онникогда не возражал. Он был одним из тех, кто не испытывает особойгордости за свои открытия. Он выдавал последнюю идею, а затемрассматривал ее как шутку». Но оставшиеся 10% его теорий про-должали развиваться, изменяя всю мировую науку.
Гамов родился в Одессе (Россия) в 1904 году, когда страна стоялана пороге социального переворота. Он вспоминал, что «уроки частоотменяли во время стрельбы или штыковых атак греческих, француз-ских или британских экспедиционных войск на главных улицах горо-да против красных, белых или даже зеленых или когда русские разныхцветов сражались друг против друга».
Решающий момент в жизни Гамова наступил в тот день, когда онпошел в церковь и после службы тайком унес домой кусочек просфо-ры. Глядя в микроскоп, он не смог разглядеть разницы между хлебомпричастия, символизирующим тело Христово, и обычным хлебом.Он заключил: «Я считаю, что именно этот эксперимент сделал меняученым».
Гамов получил образование в Ленинградском университете, гдефизику преподавал Александр Фридман. Позднее в Копенгагенскомуниверситете он встретился со светилами науки, такими, как НильсБор. (В 1932 году он и его жена совершили неудачную попытку оста-вить Советский Союз, отплыв на плоту из Крыма в Турцию. Позднееему удалось покинуть страну благодаря поездке на конференциюпо физике в Брюссель, что обеспечило ему смертный приговор вСоветском Союзе.)
Гамов прославился тем, что посылал шуточные стишки своимдрузьям. Большинство из них непечатные, в одном описывается бес-покойство космологов, когда они встречаются лицом к лицу с огром-ностью астрономических чисел и глядят в лицо бесконечности:
Жил-был парень в прекрасном Манчестере,
Взял он корень из бесконечности,
От количества знаков
Чуть не умер от страха,
Бросил числа, стал думать о Вечности.
В 1920-е годы в России Гамов впервые добился большого успеха,разрешив загадку радиоактивного распада. Благодаря работам мадамКюри и других ученых стало известно, что атом урана нестабилен иизлучает радиацию в виде альфа-лучей (ядро атома гелия). Но соглас-но механике Ньютона загадочная ядерная сила сцепления, сохраня-ющая ядро целым, должна была предотвращать расщепление атома.Как же это было возможно?
Гамов (а независимо от него — Р. Герни и Э. Кондон) понял,что радиоактивный распад стал возможен потому, что принцип не-определенности в квантовой механике гласит: нельзя одновременноузнать точное местоположение и скорость частицы; следовательно,существовала ничтожно малая вероятность того, что она может«туннелировать», или проникать сквозь барьер. (Сегодня теория«квантового туннелирования» частиц занимает центральное ме-сто в физике и используется для объяснения свойств электронныхустройств, черных дыр и Большого Взрыва. Сама Вселенная моглабыть создана подобным туннелированием.)
Проводя аналогию, Гамов говорил об узнике, который заточен втемницу, окруженную высокими тюремными стенами. В классиче-ском мире Ньютона побег невозможен. Но в мире квантовой теориивы не знаете точно, где находится узник в любой момент времени,так же, как не знаете и скорость его перемещения. Если узник станетбиться о стены с достаточной частотой, возникнет некоторая ве-роятность того, что однажды он пройдет сквозь них, хотя это будетпрямым противоречием здравому смыслу и ньютоновской механике.Существует конечная, поддающаяся вычислению вероятность того,что узник окажется за пределами тюремных стен. В случае с объектом«узник», имеющим большие размеры и малую энергию, для такогочуда может понадобиться время, превышающее время жизни всейВселенной. Но с альфа-частицами и субатомными частицами такпроисходит почти все время, потому что они часто бьются о стены
ядра, используя огромные энергии. Многие считали, что эта работаГамова заслуживает Нобелевской премии.
В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительностипереместились в сторону космологии, которую он рассматривалкак неизведанную ранее сферу деятельности. Что было известно вто время? То, что небо черное, а Вселенная расширяется. Гамов ру-ководствовался единственной целью: найти любые свидетельства,или «окаменелости», доказывающие, что миллиарды лет тому назадпроизошел Большой Взрыв. Это было бесперспективно, посколькукосмология не экспериментальная наука в истинном смысле этогослова. Не существует таких экспериментов, которые бы доказалиБольшой Взрыв. Космология больше похожа на криминальнуюдедукцию — науку, основанную на наблюдениях, где нужно искать«следы» или «свидетельства» на месте преступления, — чем на на-уку, где можно ставить точные эксперименты.
Ядерная кухня Вселенной
Очерёдным вкладом Гамова в физическую науку стало открытиеядерных реакций, в результате которых образуются легчайшие эле-менты, существующие ныне во Вселенной. Ему нравилось называтьэто «доисторической кухней Вселенной», в которой все элементыизначально возникли из жаркого пламени Большого Взрыва. Сегодняэтот процесс носит название «нуклеосинтез», или установлениеотносительного содержания элементов во Вселенной. Суть теорииГамова в том, что существует нерушимая цепочка элементов, начи-нающаяся с водорода, которая может быть построена путем после-довательного добавления частиц к атому водорода. Гамов утверждал,что вся периодическая таблица элементов Менделеева могла бытьсоздана в пекле Большого Взрыва.
Гамов и его последователи доказывали, что в момент творенияВселенная представляла собой невообразимо горячее скоплениепротонов и нейтронов; затем, видимо, произошло слияние — атомыводорода образовали атомы гелия. Подобное происходит в водо-родной бомбе или звезде: температуры настолько велики, что про-тоны — ядра водорода — с огромной скоростью сталкиваются другс другом и сливаются, превращаясь в ядро гелия. По этому сценарию
последующие столкновения водорода с гелием рождают набор сле-дующих элементов, включая литий и бериллий. Гамов предположил,что элементы более высокого порядка могут быть образованы после-довательно путем добавления все большего количества субатомныхчастиц к ядру, — иначе говоря, он предположил, что сотня или болеетого элементов, составляющих всю видимую Вселенную, были «ис-печены» в огненном жару Большого Взрыва.
В свойственной ему манере Гамов в общих чертах нарисовалсвою претенциозную идею и предоставил своему аспиранту РальфуАльферу доработать детали. Когда работа была закончена, Гамов несмог удержаться от розыгрыша. Он поставил имя физика Ганса Бетена титуле своей работы без его ведома, и она стала известна как «аль-фа-бета-гамма» теория.
Гамов обнаружил, что Большой Взрыв был действительно на-столько мощным, что его жара хватило для образования гелия,который составляет около 25 % массы Вселенной. Работая в другомнаправлении, «доказательство» теории Большого Взрыва можнообнаружить лишь при взгляде на многочисленные звезды и галакти-ки нашего времени — мы понимаем, что они состоят примерно на75 % из водорода, а на 25 % — из гелия и некоторых других микро-элементов. (Как сказал астрофизик Дэвид Спергель из Принстона:«Каждый раз, покупая воздушный шарик, наполненный гелием, выпокупаете атомы, многие из которых образовались в первые несколь-ко минут после Большого Взрыва».)
Однако у Гамова появились проблемы с расчетами. Его теориябыла абсолютно верна лишь для очень легких элементов. Но элемен-ты с 5 и 8 нейтронами и протонами чрезвычайно неустойчивы, а по-тому не могут служить «мостом» для создания элементов с большимколичеством нейтронов и протонов. Мост смыло на пяти и восьмичастицах. Поскольку Вселенная состоит из тяжелых элементов с го-раздо большим количеством частиц, чем 5 и 8 протонов и нейтронов,то как же они образовались при взрыве, осталось космической тай-ной. Неудача Гамова в попытках преодолеть разрыв на пяти и восьмичастицах на долгие годы поставила перед физиками нерешеннуюпроблему, отрезая путь его идее о том, что все элементы Вселеннойвозникли в момент Большого Взрыва.
Микроволновое реликтовое излучение
В то же время Гамовым овладела другая идея: если Большой Взрывбыл так невообразимо горяч, то, возможно, часть его остаточно-го «жара» все еще циркулирует во Вселенной. Если так, то этотжар предоставил бы «ископаемую запись» о Большом Взрыве.Возможно, интенсивность Большого Взрыва была настолько невооб-разимой, что Вселенная до сих пор наполнена однородной туманнос-тью его излучения.
В 1946 году Гамов предположил, что Большой Взрыв — это взрывсверхгорячего ядра нейтронов. То было вполне разумное предполо-жение, поскольку о других субатомных частицах (помимо электрона,протона и нейтрона) известно было очень мало. Гамов понял, чтоесли бы он смог оценить температуру нейтронного шара, то смог быподсчитать количество и природу излучения, которое тот испускал.Через два года Гамов доказал, что излучение этого сверхгорячегоядра действовало бы как «излучение абсолютно черного тела». Этосовершенно особый вид излучения, отдаваемого горячим объектом:свет, падающий на него, объект поглощает полностью, испуская из-лучение особым образом. Например, Солнце, расплавленная лава,горячие угли в огне и горячая глина в печи светятся желто-красными испускают излучение «абсолютно черного тела». (Излучение аб-солютно черного тела было впервые открыто известным фабрикан-том фарфора Томасом Веджвудом в 1792 году. Он заметил, что приобжиге в печи свежеизготовленных изделий они меняют свой цветот красного к желтому, затем к белому по мере того, как повышаетсятемпература.)
Это важный момент, поскольку, зная цвет горячего объекта, при-мерно знаешь его температуру, и наоборот. Точная формула, связы-вающая температуру горячего объекта и испускаемого им излучения,была впервые получена Максом Планком в 1900 году, что привелок рождению квантовой теории. (Это, по сути, одна из теорий, припомощи которой ученые определяют температуру Солнца. Солнцеизлучает в основном желтый цвет, что соответствует температуреабсолютно черного тела в 6000°К. Таким образом, нам известнатемпература внешних слоев атмосферы Солнца. Подобным образомрассчитывалась температура поверхности красной звезды-гиганта
Бетельгейзе — 3000°К, — температура абсолютно черного тела,соответствующая красному излучению: такую температуру имеетраскаленный кусок угля.)
В своей работе 1948 года Гамов впервые предположил, что излуче-ние Большого Взрыва может иметь характерную особенность — этоизлучение абсолютно черного тела. Важнейшей характерной особен-ностью излучения абсолютно черного тела является его температура.Теперь Гамову необходимо было вычислить температуру излученияабсолютно черного тела.
Аспирант Гамова Ральф Альфер и другой ученик, Роберт Херман,попытались завершить расчеты Гамова, вычислив точную темпера-туру излучения. Гамов написал: «Экстраполируя от первых днейВселенной до настоящего времени, мы обнаружили, что за про-шедшие эпохи Вселенная должна была охладиться до температуры5 градусов выше абсолютного нуля».
В 1948 году Альфер и Херман опубликовали работу, где былипредставлены аргументы в пользу того, что температура излучения,сохранившегося после Большого Взрыва, сегодня должна составлять5 градусов выше абсолютного нуля (их оценка была поразительноблизка к той цифре, которая известна нам сейчас — 2,7 градусаКельвина). Они постулировали, что излучение, которое они опреде-лили как излучение микроволнового диапазона, должно до сих порциркулировать по Вселенной, наполняя космос однородным «по-слесвечением».
(Аргументация следующая. В течение многих лет после БольшогоВзрыва температура Вселенной была настолько высока, что всякийраз, когда образовывался атом, его снова разрывало на части; поэто-му образовалось множество свободных электронов, которые и могутрассеивать свет. Таким образом, Вселенная была темной, не прозрач-ной. Любой луч света, двигающийся в этой сверхгорячей Вселенной,поглощался, пройдя короткое расстояние, поэтому Вселенная вы-глядела облачной. Однако через 380 ООО лет температура упала до3000 градусов. При более низкой температуре атомы уже, сталки-ваясь, больше не разрывались. В результате стало возможным фор-мирование устойчивых атомов, а лучи света смогли перемещатьсяв течение световых лет, не будучи поглощенными. Таким образом,впервые пустое пространство стало прозрачным. Излучение же,
которое больше не поглощалось сразу же, как только возникло, про-должает циркулировать во Вселенной и в наши дни.)
Когда Альфер и Херман показали Гамову свои окончательныерасчеты температуры Вселенной, их учитель был разочарован.Температуру настолько низкую измерить было чрезвычайно трудно.Гамову понадобился целый год, чтобы в конце концов согласитьсяс тем, что их расчеты верны. Но он отчаялся когда-либо измеритьстоль слабое поле излучения. Приборами 1940-х годов безнадежнобыло измерять слабое эхо Большого Взрыва. (В более поздних вы-числениях, отталкиваясь от неверного предположения, Гамов поднялтемпературу излучения до 50 градусов.)
Они прочитали цикл лекций для популяризации своей теории.Но, к несчастью, их пророческие выводы были проигнорированы.Альфер писал: «Мы потратили уйму энергии на лекции о нашей ра-боте. Никто не клюнул; никто не сказал, что температура может бытьизмерена... И вот где-то в период с 1948 по 1955 год мы, наверное,сдались».
Непоколебимый Гамов благодаря своим лекциям и книгам стал ве-дущей фигурой в области теории Большого Взрыва. Но он встретилдостойного соперника — яростного противника его взглядов. Гамовбыл способен очаровать слушателей шутками и остротами, зато ФредХойл мог потрясти слушателей ослепительным блеском своего крас-норечия и агрессивной дерзостью.
Фред Хойл, оппонент
Микроволновое реликтовое излучение — это второе «доказатель-ство» Большого Взрыва. Но то, что третье серьезное доказательствоБольшого Взрыва (через нуклеосинтез) даст Фред Хойл, труднобыло себе представить: по иронии судьбы, в течение всей своейпрофессиональной карьеры он пытался оспорить теорию БольшогоВзрыва.
Хойла можно было бы назвать олицетворением человека, не спо-собного к научной деятельности. Он был блестящим оппонентом, иему ничего не стоило в несколько агрессивной манере отрицать тра-диционную мудрость. В то время как Хаббл был изысканным аристо-кратом с манерами оксфордского преподавателя, а Гамов — остро-
умным шутником и эрудитом, привлекающим слушателей остротами,стишками и шутками, Хойл напоминал неотесанного деревенскогобульдога; он казался странным образом не на своем месте в древ-них стенах Кембриджского университета, старинной альма-матерИсаака Ньютона.
Фред Хойл родился в 1915 году в Северной Англии. Он жил врайоне, где суконная промышленность занимала ведущее место, былсыном торговца тканями. С детства в нем проснулся интерес к науке.В те времена радио еще только-только появилось в сельской мест-ности. Хойл вспоминал, что человек 20-30 с большим энтузиазмомустановили у себя дома радиоприемники. Но поворотный моментнаступил в его жизни, когда родители подарили ему телескоп.
Воинственный стиль Хойла сформировался в глубоком детстве.В возрасте трех лет он знал таблицу умножения, а затем учитель по-казал ему римские цифры. «Как может быть кто-то настолько глуп,чтобы писать VIII вместо 8?» — вспоминал он с презрением. Нокогда ему сказали, что закон требует от него посещения школы, Хойлнаписал: «Я сделал вывод, что, к несчастью, я родился в мире, гдегосподствует яростное чудовище, называемое «закон», всесильноеи безмерно тупое».
Пренебрежению Хойла к авторитетам способствовала стычка сучительницей, которая сказала всему классу, что у цветка (назвалаего) пять лепестков. Как доказательство ее неправоты Фред принесв класс именно этот цветок, но с шестью лепестками. За эту дерзостьона сильно ударила его по левому уху. (Позднее Хойл на это ухооглох.)
Теория стационарной Вселенной
В 1940-е годы Хойл не принял теорию Большого Взрыва. Однимиз недостатков этой теории было то, что из-за ошибок в измеренииинтенсивности излучения далеких галактик Хаббл неправильно рас-считал возраст Вселенной — 1,8 млрд лет. Геологи же утверждали,что Земля и Солнечная система, вполне возможно, насчитываютмиллиарды лет. Как же могла Вселенная быть моложе собственныхпланет?
Вместе с коллегами, Томасом Голдом и Германом Бонли, Хойл на-чал работу над созданием собственной теории. По легенде, их теориястационарной Вселенной была навеяна триллером « Глубокой ночью »с Майклом Редгрейвом в главной роли. Фильм состоит из несколькихрассказов о страшных историях, но в последней сцене происходитнеожидаемый виток: фильм заканчивается точно так же, как и на-чался. Таким образом, события замыкаются в круг, не имея ни начала,ни конца. Как утверждают, именно фильм вдохновил трех ученых наразработку теории Вселенной, у которой также не было ни начала, никонца. (Позднее Голд внес немного ясности в эту историю. Он вспо-минал: «Кажется, несколькими месяцами ранее мы смотрели фильм,и когда я предложил рассмотреть теорию устойчивой Вселенной, ясказал: «А не напоминает ли это фильм "Глубокой ночью"?» )
По этой теории части Вселенной действительно расширялись, ноновая материя постоянно создавалась из ничего, так что плотностьВселенной оставалась неизменной. Хотя Хойл не мог объяснить,каким же именно таинственным образом эта материя появляласьниоткуда, теория незамедлительно привлекла сторонников, которыевступили в борьбу с приверженцами теории Большого Взрыва. Хойлуказалось нелогичным, что огненный катаклизм возник ниоткуда, ставпричиной того, что галактики разлетелись во все стороны. Он пред-почитал спокойное создание вещества из ничего. Иными словами,такая Вселенная была бы безвременной. У нее не было ни начала, никонца. Она просто была всегда.
(Противостояние «Стационарная Вселенная— БольшойВзрыв» походило на противостояния разных теорий в геологии идругих науках. В геологии существовал затянувшийся спор междутеорией однородности [мнение о том, что Земля приобрела свою те-перешнюю форму в результате постепенных изменений в прошлом]и теорией катастроф [которая постулировала, что изменения про-изошли в результате ужасных катаклизмов]. Несмотря на то что тео-рия однородности и до сих пор объясняет многие из геологическихи экологических особенностей Земли, никто не станет отрицать вли-яния комет и астероидов, которые становились причинами массовыхвымираний или разрушения и смещения континентов в результатетектонических сдвигов.)
Лекции Би-Би-Си
Хойл всегда любил хорошую драку. В 1949 году его и Гамова пригла-сила Британская радиовещательная корпорация (Би-Би-Си) для про-ведения дискуссии о происхождении Вселенной. Во время этих пере-дач Хойл, оспаривая теорию Большого Взрыва, и далей, собственно,такое название. Он сказал следующее: «Эти теории основывались нагипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в резуль-тате одного Большого Взрыва, происшедшего в определенное времяв далеком прошлом». Это название пристало. Теория Гамова отнынебыла официально названа теорией Большого Взрыва, и название этопридумал ее величайший враг. (Позднее Хойл заявил, что не имелв виду унизить противника. «Я ни в коем случае не выдумал это на-звание для уничижения. Оно было выбрано в качестве аргумента вспоре», — признался он.)
(В течение многих лет сторонники теории Большого Взрывагероически пытались это название изменить. Они недовольны этой,почти вульгарной коннотацией названия теории, а также тем фак-том, что его изобрел основной ее противник. Языковых пуристовособенно раздражало то, что название и по сути-то абсолютно не-верно. Во-первых, Большой Взрыв не был большим (поскольку этобыл взрыв некоего крошечного образования, намного меньшего, чематом), а во-вторых, взрыва как такового не было (поскольку в откры-том космосе не было воздуха). В августе 1993 года журнал «Небо иТелескоп» объявил конкурс на новое название теории БольшогоВзрыва. На конкурс было представлено тринадцать тысяч предло-жений, но жюри не смогло выбрать из них вариант лучше первона-чального.)
Чем Хойл поистине прославился в народе, так это своими зна-менитыми радиолекциями на Би-Би-Си, посвященными науке.В 1950-х годах Би-Би-Си планировала транслировать научные лек-ции в субботу вечером. Однако, когда изначально приглашенныйгость отказался прийти, продюсеры вынуждены были искать замену.Они связались с Хойлом, и тот согласился. И только потом они про-верили досье ученого, где было написано: «Этого человека мы опаса-емся приглашать».
К счастью, они проигнорировали неприятное предостережениепредыдущего продюсера, и Хойл прочитал миру пять захватываю-щих лекций. Эти классические передачи Би-Би-Си очаровали всюнацию и даже вдохновили молодое поколение будущих астрономов.Астроном Уоллес Сарджент вспоминает, что эти передачи оказалина него сильное воздействие: «Когда мне было пятнадцать, я по-слушал лекции Фреда Хойла по Би-Би-Си под названием «ПриродаВселенной». Сама мысль о том, что вы знаете, какова температураи плотность в центре Солнца, чудовищно шокировала. В пятнадца-тилетнем возрасте казалось, что такие вещи лежат за пределами воз-можного знания. Шокировали не просто сами цифры, а тот факт, чтоих вообще можно узнать».
Звездный синтез
Хойл, который презирал праздные размышления, взялся за проверкусвоей теории. Он был в восторге от идеи, что элементы Вселеннойиспеклись не в топке Большого Взрыва, как считал Гамов, а в звезд-ном ядре. Если около сотни химических элементов возникло в ядрезвезд, то потребность в существовании Большого Взрыва вообщеотпадала.
В ряде работ, содержащих плодотворные идеи и опубликован-ных в 1940-е - 1950-е годы, Хойл и его коллеги описали в подроб-ностях, как ядерные реакции в ядре звезд, а не в пламени БольшогоВзрыва присоединяли все больше и больше протонов и нейтронов кядрам водорода и гелия до тех пор, пока не были созданы все тяжелыеэлементы, во всяком случае до железа. (Они решили загадку, как соз-дать элементы с массовым числом выше 5, которая поставила в тупикГамова. В гениальном озарении Хойл понял, что если существоваларанее незамеченная неустойчивая форма углерода, состоящая изтрех ядер гелия, то она могла бы просуществовать достаточно долго,чтобы послужить «мостом» для создания элементов высшего по-рядка. В ядрах звезд эта новая неустойчивая форма углерода моглапродержаться достаточно долго для того, чтобы можно было путемпоследовательного добавления все большего количества нейтронови протонов создать элементы с массовым числом выше 5 и 8. Когда
эта неустойчивая форма углерода действительно была обнаружена, это открытие блестяще продемонстрировало, что нуклеосинтез про-исходит в ядрах звезд, а не при Большом Взрыве. Хойл даже создалбольшую компьютерную программу, определяющую почти с первыхшагов относительное содержание элементов во Вселенной.)
Но даже сильного жара внутри звезд недостаточно, чтобы «испечь» такие элементы, как медь, никель, цинк и уран. (Извлекатьэнергию при слиянии элементов тяжелее железа чрезвычайно слож-но в силу различных причин, в том числе отталкивания протонов вядре и нехватки связующей энергии.) Для тяжелых элементов пона-добилась бы печка побольше — взрыв массивных, или сверхновыхзвезд. При грандиозном взрыве гигантской звезды температура еепредсмертной агонии может достигать триллионов градусов, и этаэнергия оказывается достаточной для «приготовления» элементовтяжелее железа. По сути, это означает, что большинство элементовтяжелее железа — результат взрыва сверхновых звезд.
В1957годуХойлвсоавторстве сМаргарети Джефри Бербиджамии Уильямом Фаулером опубликовал, возможно наиболее значитель-ную, работу, где в подробностях были представлены все этапы,необходимые для создания элементов во Вселенной и для опреде-ления их распространенности. Аргументы авторов были так точны,вески и убедительны, что даже Гамову пришлось признать, что Хойлпредставил убедительнейшую картину нуклеосинтеза. Гамов, в при-сущей ему манере, даже сочинил следующий экспромт в библейскомстиле:
В самом начале, когда Бог создавал элементы, волнуясь присчете, Он не назвал массу пять, а потому, естественно, не моглиобразоваться тяжелые элементы. Бог был очень разочаровани поначалу хотел снова взорвать Вселенную, а затем начать всесначала. Но это было бы слишком просто. Тогда всемогущий Богрешил исправить свою ошибку самым невероятным образом.И сказал Бог: Да будет Хойл. И появился Хойл. И посмотрел Богна Хойла... И велел ему сотворить тяжелые элементы так, как емувздумается. И Хойл решил сотворить тяжелые элементы в ядрахзвезд и распространять их по Вселенной с помощью взрывовсверхновых.
Аргументы против теориистационарной Вселенной
Однако в течение десятилетий во всех направлениях науки накапли-валось все больше доказательств, опровергающих «теорию стацио-нарной Вселенной». Хойл обнаружил, что его борьба обречена наверный проигрыш. По его теории, поскольку Вселенная не эволюци-онировала, а постоянно создавала новую материю, ранняя Вселеннаядолжна была выглядеть очень похожей на Вселенную наших дней.Видимые нам сегодня галактики тоже должны были походить на тегалактики, что существовали миллиарды лет назад. Теория стацио-нарной Вселенной могла быть опровергнута, если бы были обнару-жены признаки значительных эволюционных изменений Вселеннойна протяжении миллиардов лет.
В 1960-е годы в космическом пространстве обнаружили загадоч-ные источники невероятной энергии, названные «квазарами», иликвазизвездными объектами. (Название было таким броским, чтопозднее его использовали в качестве марки телевизора.) Квазарыгенерировали невероятные количества энергии и характеризовалиськрасным смещением огромной величины, что означало, что они на-ходятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, а также чтоони освещали Вселенную еще в раннем ее детстве (сегодня астро-номы считают, что квазары — это гигантские молодые галактики,ведомые энергией огромных черных дыр). У нас нет доказательствасуществования каких-либо квазаров сегодня, хотя согласно теориистационарной Вселенной они должны существовать. За миллиардылет они исчезли.
В теории Хойла крылась еще одна проблема. Ученые доказали, чтово Вселенной слишком много гелия, чтобы это вписывалось в теориюстационарной Вселенной. Гелий, известный как газ, используемыйдля надувания воздушных шаров и небольших дирижаблей, в дей-ствительности довольно редок на Земле, но он является вторым поотносительному содержанию элементом во Вселенной после водо-рода. Вообще, он настолько редок, что впервые был обнаружен не наЗемле, а на Солнце. (В 1868 году ученые анализировали свет Солнца,проходящий через призму. Преломленный луч света распадался наобычную радугу цветов и спектральных линий, но ученые обнаружи-
ли нечеткие спектральные линии, вызванные загадочным элементом,никогда не виденным ранее. Они ошибочно посчитали, что это ме-талл, а названия металлов (в английской терминологии) оканчивают-ся на Лит, например lithium (литий), uranium (уран). Они дали этомузагадочному металлу название helium (гелий) от греческого названияСолнца, «Helios». Когда же в 1895 году гелий был найден на Земле взалежах урана, ученые с большим смущением обнаружили, что этогаз, а не металл. Так название гелия, впервые открытого на Солнце,изначально оказалось неправильным.)
Если первичный гелий в основной своей массе рождался в звезд-ных ядрах, как считал Хойл, он должен был быть довольно редким инаходиться в недрах звезд. Но астрономические данные показали,что относительное содержание гелия во Вселенной довольно высокои составляет 25 % от всей массы атомов во Вселенной. Было обнару-жено, что гелий однородно распространен по всей Вселенной (как ипредполагал Гамов).
Сегодня мы знаем, что и в теории Гамова, и в теории Хойла былизерна истины относительно нуклеосинтеза. Гамов считал, что все хи-мические элементы были побочным результатом, или золой, БольшогоВзрыва. Но его теорию убили провалы на пяти и восьми частицах.Хойл же считал, что смог зачеркнуть теорию Большого Взрыва, по-казав, что в звездах «пекутся» все элементы — к Большому Взрывуприбегать нет никакой потребности. Но его теории не удалось объ-яснить огромный процент гелия, существующий, как нам известно,во Вселенной.
По существу, Гамов и Хойл дали нам взаимодополняющую картинунуклеосинтеза. Очень легкие элементы с массой до 5 и 8 действитель-но возникли в результате Большого Взрыва, как и предполагал Гамов.Сегодня в результате последних физических открытий стало извест-но, что во время Большого Взрыва действительно возникла большаячасть дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, которые присутствуют вприроде. Но более тяжелые элементы были, в основном, созданы вядрах звезд, как утверждал Хойл. Если мы прибавим элементы тяже-лее железа (медь, цинк и золото), которые возникли из обжигающегожара сверхновых звезд, то мы получим завершенную картину, объяс-няющую соотношение всех элементов во Вселенной. (Любая теория,соперничающая с нынешними взглядами космологов, столкнулась бы
с задачей немыслимой сложности: объяснить возникновение болеесотни элементов во Вселенной и множества их изотопов.)
Как рождаются звезды
Одним из неожиданных результатов жаркого спора по поводу ну-клеосинтеза стало довольно полное описание жизненного циклазвезд. Стандартная звезда, такая, как наше Солнце, начинает жизнькак огромный шар разреженного водорода, называемый протозвез-дой; постепенно шар сжимается под воздействием силы гравитации.Начиная сжиматься, этот шар ускоряет вращение (что часто влечетза собой образование двойной звездной системы, где две звездыследуют друг за другом по эллиптическим орбитам, или образованиепланет в плоскости вращения звезды). Ядро звезды очень сильноразогревается, достигая температуры приблизительно в 10 млнградусов и более, при которой происходит нуклеосинтез водорода собразованием гелия.
Когда звезда раскаляется, ее называют звездой главной последо-вательности. Она может гореть около 10 млрд лет, сначала сгораетводород, а потом гелий. Наше Солнце сейчас находится в срединнойточке этого процесса. По окончании периода сгорания водороданачинает гореть гелий, вследствие чего звезда невероятно расширя-ется — до размеров орбиты Марса — и становится «красным ги-гантом». После того какгелиевое топливо истощается, внешние слоизвездного ядра рассеиваются, обнажая ядро — «белый карлик»размером с Землю. Такими-то белыми карликами и встретят своюсмерть звезды небольшого размера — вроде нашего Солнца.
В звездахже, масса которых превосходит массу Солнца в 10-40 раз,процесс нуклеосинтеза протекает намного быстрее. Когда звезда ста-новится красным сверхгигантом, в ее ядре стремительно синтезиру-ются легкие элементы, и поэтому звезда выглядит как некий гибрид:белый карлик внутри красного гиганта. В этом белом карлике могутсинтезироваться легкие элементы (с атомным весом ниже железа),составляющие периодическую таблицу элементов. Когда процесснуклеосинтеза достигает этапа, на котором создается железо как эле-мент, энергия в процессе нуклеосинтеза больше не вырабатывается,и по прошествии миллиардбв лет ядерные меха наконец прекращают
свою работу. В этот момент звезда внезапно коллапсирует, создаваяогромные давления, которые фактически вталкивают электроны вядра. (Создаваемая плотность может в 400 миллиардов раз превос-ходить плотность воды.) В результате температура подскакивает дотриллионов градусов. Энергия гравитации, сконцентрированнаяв этом крошечном объекте, вызывает взрыв, создавая сверхновуюзвезду. Высокая температура взрыва снова вызывает нуклеосинтез исинтезируются элементы с атомным весом выше железа по периоди-ческой таблице.
Например, красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе, легко разли-чимая в созвездии Ориона, неустойчива; она может в любой моментвзорваться как сверхновая, испуская огромные количества гамма-лу-чей и рентгеновских лучей. Когда это случится, сверхновая будет вид-на даже днем, а ночью, возможно, затмит Луну. (Когда-то считалось,что колоссальная энергия, освободившаяся при взрыве сверхновой,уничтожила динозавров 65 млн лет тому назад- Вообще, сверхновая,находись она на расстоянии около 10 световых лет от нас, моглабы уничтожить всю жизнь на Земле. К счастью, звезды-кандидатыв сверхновые — Спика и Бетельгейзе — находятся на расстоянии260 и 430 световых лет соответственно: это слишком далеко от нас,чтобы причинить какие-либо серьезные повреждения Земле, когдаони в конце концов взорвутся. Но некоторые ученые считают, чтовымирание некоторых морских организмов два миллиона лет томуназад было вызвано именно взрывом сверхновой на расстоянии120 световых лет от Земли.)
Это означает, что Солнце не является истинной «матерью»Земли. Хотя многие народы Земли почитали Солнце как бога, со-творившего Землю, такой подход верен лишь отчасти. Хотя изна-чально Земля произошла от Солнца (будучи частью эклиптическойплоскости звездных обломков и пыли, циркулировавших вокругСолнца 4, 5 млрд лет назад), температура нашего Солнца высокалишь настолько, чтобы был возможен процесс нуклеосинтеза водо-рода с образованием гелия. Это означает, что нашей истинной «ма-терью»-солнцем была безымянная звезда (или скопление звезд),погибшая миллиарды лет назад при взрыве сверхновой, в результатекоторого близлежащие туманности оказались насыщены элемен-тами с атомным весом выше железа, из которых состоят наши тела.
Точнее, наши тела состоят из звездной пыли, из звезд, которые по-гибли миллиарды лет назад.
После взрыва сверхновой остается лишь то, что сегодня называ-ется нейтронной звездой, которая состоит из плотного ядерного ве-щества, сжатого до размеров Манхэттена — почти 30 км. (Впервыесуществование нейтронных звезд было предсказано в 1933 годуФрицем Цвикки, но это казалось настолько фантастичным, что напротяжении десятилетий ученые не обращали на его слова внима-ния.) Поскольку нейтронная звезда испускает излучение нерегуляр-но, а также вращается с огромной скоростью, она похожа на враща-ющийся маяк, испускающий вспышки света в процессе вращения.При наблюдении с Земли кажется, что нейтронная звезда пульсирует,отсюда и ее название — пульсар.
Чрезвычайно большие звезды, имеющие массу, возможно, в 40 разпревышающую массу Солнца, взорвавшись в конце концов каксверхновые, могут оставить после себя нейтронную звезду, массакоторой больше трех солнечных масс. Гравитация этой нейтроннойзвезды настолько велика, что она может противодействовать силеотталкивания, возникающей между нейтронами, и звезда совершитсвой заключительный коллапс и превратится в самый необычный,скорее всего, объект Вселенной — черную дыру, о которой я поведуречь в пятой главе.
Птичий помет и Большой Взрыв
Смертельным ударом в самое сердце теории стационарной Вселен-ной стало открытие Арно Пензиаса и Роберта Вильсона в 1965 году.Работая с шестиметровым радиотелескопом в лаборатории Беллв городе Холмдел, они, ловя радиосигналы из космоса, поймалистранный радиошум. Сначала они решили, что этот шум — результаткакого-то отклонения в работе системы, поскольку получалось, чтошум поступает равномерно со всех направлений, а не от конкретнойзвезды или галактики. Чтобы исключить возможное влияние грязии мусора, они тщательно отчистили рупор телескопа от того, чтоПензиас деликатно назвал «слоем белого диэлектрического веще-ства» (популярное его название у астрономов — «птичий помет»).В результате сила радиошума только возросла. Они и не подозревали,
что случайно наткнулись на микроволновое реликтовое излучение,существование которого было предсказано Георгием Гамовым и егоколлегами еще в 1948 году.
Довольно долго история космологии напоминала старые фильмыо кистоунских полицейских, в которых три группы копов пытаютсяраскрыть преступление, даже не подозревая о существовании другдруга. С одной стороны, Гамов, Альфер и Херман заложили основытеории микроволнового реликтового излучения в 1948 году; онипредсказали, что температура этого излучения составляет 5 градусоввыше абсолютного нуля. Идею об измерении микроволнового кос-мического излучения они оставили, поскольку приборы, имевшиесятогда в их распоряжении, не обладали достаточной чувствительнос-тью даже для того, чтобы его обнаружить. В 1965 году Пензиас иВильсон все-таки обнаружили излучение абсолютно черного тела,но не поняли этого. В то же время третья группа под руководствомРоберта Дикке из Принстонского университета вновь обратилась ктеории Гамова и его коллег и теперь активно занималась вопросомулавливания микроволнового реликтового излучения, но существо-вавшее оборудование было до прискорбия примитивным, чтобы егоуловить.
Эта комическая ситуация нашла свое завершение, когда астрономБернард Берк, общий друг Пензиаса и Дикке, рассказал первомуо работе второго. Когда две группы исследователей наконец объ-единились, стало ясно, что Пензиас и Вильсон уловили сигналы,оставшиеся после того самого Большого Взрыва. За это важное от-крытие Пензиас и Вильсон в 1978 году были удостоены Нобелевскойпремии.
Оглядываясь на прошлое, можно вспомнить, как Хойл и Гамов, двасамых знаменитых автора противоречащих друг другу теорий, встре-тились в 1956 году в «кадиллаке»: эта судьбоносная встреча могла из-менить весь ход развития космологии. «Я помню, как Георгий возилменя в белом кадиллаке», — вспоминал Хойл. Гамов тогда напомнилХойлу о своем утверждении, что после Большого Взрыва осталось из-лучение, которое можно увидеть даже сегодня. Однако, согласно по-следним расчетам Гамова, температура этого излучения была около50 градусов. Тогда Хойл поделился с Гамовым информацией, котораястала для последнего шокирующим открытием. Хойлу была извест-
на не нашедшая признания работа, написанная в 1941 году ЭндрюМаккеларом, в которой автор утверждал, что температура открыто-го космоса не может превышать трех градусов по Кельвину. При бо-лее высоких температурах происходили бы новые реакции, которыесоздали бы соединения углерода с водородом (CN) и азотом (СН) ввозбужденном состоянии в открытом космосе. Измерив спектр этиххимических элементов, можно было определить температуру откры-того космоса. По сути, он выяснил, что плотность молекул CN, обна-руженных им в космосе, указывает на температуру в 2,3° К. Другимисловами, микроволновое излучение с температурой в 2,7°К уже былокак бы открыто в 1941 году, о чем Гамов не имел понятия.
Хойл вспоминал: «Случилось ли это потому, что «кадиллак» былслишком удобен, или потому, что Георгий настаивал на температуревыше 3°, а я — на равной нулю, мы упустили свой шанс сделать от-крытие, которое девятью годами позже сделали Арно Пензиас и БобВильсон». Если бы группа Гамова не сделала ошибку в расчетах ипришла к более низкой температуре или если бы Хойл не относилсястоль враждебно к теории Большого Взрыва, то история космологии,возможно, оказалась бы иной.
Большой Взрыв и психология
Открытие микроволнового фона Пензиасом и Вильсоном решаю-щим образом повлияло на карьеру Гамова и Хойла. Хойла их работачуть не вогнала в гроб. В конце концов в 1965 году на страницах жур-нала «Нэйчер» (Nature) Хойл официально признал свое поражение,приводя в качестве аргументов отказа от теории стационарнойВселенной микроволновое реликтовое излучение и относительноесодержание гелия. Но что его действительно беспокоило, так этотот факт, что теория стационарной Вселенной потеряла свою про-гностическую силу: «Всем известно, что существование микровол-нового реликтового излучения убило космологию "стационарнойВселенной", но что действительно убило теорию "стационарнойВселенной" — так это психология... Здесь, в микроволновом излу-чении, заключалось важное явление, которого она не предсказала замногие годы, и это сбило с меня спесь». (Позднее Хойл вернулся напрежние позиции, безуспешно пытаясь работать с другими версия-
ми теории стационарной Вселенной, но каждый новый вариант былвсе менее правдоподобным.)
К несчастью, вопрос о первенстве открытия оставилв душе Гамованеприятный осадок. Гамов, если читать между строк, был недоволентем, что его собственная работа, а также работы его сотрудников такмало упоминались, если вообще упоминались. Неизменно вежли-вый, он помалкивал о своих чувствах, но в личных письмах отмечалнесправедливость того, что физики и историки науки полностьюпроигнорировали их работу.
Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный ударпо теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспери-ментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании струк-туры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы.Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, какэволюционирует Вселенная, необходимо знать значение ы, среднейплотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольнопроблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоитне только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомойновой субстанции, называемой «темным веществом», которая веситв 10 раз больше обычного вещества. И снова блестящие достиженияв этой области не были восприняты всерьез астрономическим со-обществом.
Омега и темная материя
История темной материи, возможно, одна из самых необыкно-венных историй космологии. В далекие 1930-е годы независимыйшвейцарский астроном Фриц Цвикки из Калифорнийского техно-логического института заметил, что движение галактик в скоплениигалактик Кома не соответствовало теории гравитации Ньютона. Онобнаружил, что скорость движения галактик такова, что, по законамдвижения Ньютона, они должны были разлететься в стороны, а ско-пление — распасться. Цвикки решил, что единственным возможнымобъяснением того, что скопление Кома удерживается, а не разлетает-ся в стороны, могло служить лишь то, что в скоплении — в сотни разбольше материи, чем можно было увидеть в телескоп. Либо законыНьютона действовали как-то неверно на межгалактических расстоя-
ниях, либо существовало огромное количество невидимой материив скоплении Кома, которая не давала ему распасться.
Это стало первым свидетельством в истории, что чего-то крайненедоставало в отношении распространения материи по Вселенной.К несчастью, астрономы во всем мире либо не заметили пионерскуюработу Цвикки, либо дружно отвергли его выводы по несколькимпричинам.
Первая из них заключалась в том, что астрономы не склонныбыли верить в то, что теория гравитации Ньютона, занимавшая ве-дущее положение в физике на протяжении нескольких веков, можетбыть неправильной. Уже существовал прецедент такого кризиса вастрономии. Во время исследования орбиты Урана в XIX ст. былообнаружено, что она раскачивается — очень немного, но отклоняясьот уравнений Исаака Ньютона. Так что либо Ньютон ошибался, либодолжна была существовать новая планета, чья гравитация воздей-ствовала на Уран. Именно второе предположение оказалось верным,и при первой же попытке, совершенной в 1846 году при анализепредполагаемого положения планеты согласно законам Ньютона,была обнаружена планета Нептун.
Во-вторых, существовала такая проблема, как личность самогоЦвикки и то, как астрономы относились к «аутсайдерам». Цвиккибыл фантазером, на протяжении жизни над ним часто смеялисьили просто не обращали на него внимания. В 1933 году вместе сВальтером Бааде он придумал термин «сверхновая звезда» и пред-сказал, что после взрыва останется крошечная нейтронная звездаоколо 22 км в поперечнике. Эта идея показалась всем настолькоабсурдной, что ее 19 января 1943 года даже высмеяли в комиксе настраницах «Лос-Анджелес тайме». Цвикки страшно обозлился намаленькую элитарную группу астрономов, которые, как он думал,отказывали ему в признании, крали его идеи и не давали ему временидля наблюдений на 250-сантиметровом и 500-сантиметровом теле-скопах. (Незадолго до своей смерти в 1974 году Цвикки на собствен-ные средства опубликовал каталог галактик. Каталог открывалсязаголовком «Напоминание корифеям американской астрономиии их подхалимам». В очерке была яростная критика узкой, закоре-нелой в своих традиционных взглядах элиты астрономов, которыестремились изо всех сил препятствовать работе таких независимых
астрономов, как он сам. «Сегодняшние подхалимы и самые настоя-щие воры, особенно в Американском астрономическом обществе,кажется, совершенно свободно присваивают открытия и изобрете-ния, сделанные волками-одиночками и инакомыслящими», — писалон. Цвикки назвал этих людей «сферическими ублюдками», потомучто «они ублюдки, с какой стороны на них ни глянь». Он был разъ-ярен, потому что его обошли вниманием и Нобелевскую премию заоткрытие нейтронной звезды дали кому-то другому.)
В 1962 году астроном Вера Рубин заново открыла любопыт-ную проблему галактического движения. Она изучала вращениеГалактики Млечный Путь и столкнулась с той же самой проблемой:астрономическое сообщество не приняло ее выводы. Обычно,чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее она вра-щается. Чем ближе, тем быстрее она вращается. Именно поэтомуМеркурий назван по имени бога скорости — он располагаетсяочень близко к Солнцу, и именно поэтому скорость Плутона в 10 разменьше скорости Меркурия — Плутон располагается дальше всехпланет от Солнца. Однако когда Вера Рубин внимательно изучилаголубые звезды нашей Галактики, она обнаружила, что звезды вра-щаются с неизменной скоростью, вне зависимости от расстояниядо центра Галактики (плоского вращающегося диска), тем самымнарушая принципы механики Ньютона. По сути, она обнаружила,что Галактика Млечный Путь вращалась настолько быстро, что, посправедливости, ее звезды должны бы были разлететься в разныестороны. Но Галактика пребывала во вполне устойчивом состояниина протяжении приблизительно 10 млрд лет; оставалось загадкой,почему ее вращающийся диск плоский. Чтобы- не развалиться, онадолжна бы быть в 10 раз тяжелее, чем считали ученые в то время. Былоочевидно, что не учтено 90 % массы всей Галактики!
Работу Веры Рубин проигнорировали, может быть, потому, чтоавтором ее была женщина. С некоторой болью Рубин вспоминала,что, когда она поступала в колледж на специальность «естествен-ные науки» и случайно обмолвилась преподавателю в приемнойкомиссии, что ей нравится рисовать, тот спросил: «А вы никогда нерассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астро-номических объектов?» Она писала: «Это стало ключевой фразой унас в семье: на протяжении многих лет, когда что-то у кого-то из род-
ственников шло не так, мы говорили: 'А вы никогда не рассматриваливозможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономическихобъектов?" Когда Вера сказала своему школьному преподавателюфизики, что ее приняли в Вассарский колледж, тот ответил: «У тебявсе получится, только держись подальше от науки». Позднее онавспоминала: «Необходима невероятно высокая самооценка, чтобывыслушивать подобные вещи и не сломаться».
По окончании учебы Рубин подала заявление о принятии ее навакантную должность преподавателя в Гарвард, и ее приняли, ноона отказалась, потому что вышла замуж и уехала вместе с мужем-химиком в Корнелл. (Она получила ответ из Гарварда, где внизу былиот руки приписаны следующие слова: «Черт побери этих женщин!Каждый раз, как я нахожу то, что нужно, они уезжают и выходят за-муж» .) Недавно она приняла участие в астрономической конферен-ции в Японии, где была единственной женщиной. «Я, правда, долгоевремя не могла об этом рассказывать без слез, потому что, конечно,за одно поколение... немногое изменилось», — признавалась ВераРубин.
Тем не менее несомненная значимость ее работы, а также рабо-ты других ученых постепенно начали убеждать астрономическоесообщество в существовании проблемы «отсутствующей» массы.К 1978 году Вера Рубин и ее коллеги тщательно изучили вращение11 галактик; все они вращались слишком быстро, чтобы законыНьютона позволили им оставаться единым целым. В том же годуголландский радиоастроном Альберт Бозма опубликовал самыйподробный анализ десятков спиральных галактик: почти все онидемонстрировали то же самое аномальное поведение. Казалось, чтоэто наконец убедило астрономическое сообщество в существованиитемного вещества.
Простейшим решением этой удручающей проблемы было пред-положение, что галактики окружены невидимым ореолом, которыйсодержит в себе в 10 раз больше вещества, чем звезды. С тех порпоявились более совершенные приборы для определения наличияэтой «темной» материи. Одной из наиболее впечатляющих являетсявозможность измерения искривления звездного света при его про-хождении сквозь невидимое вещество. Подобно линзе очков, тем-ная материя может преломлять свет (благодаря своей невероятной
массе, а следовательно, и силе гравитации). Недавно при тщательномкомпьютерном анализе фотографий, сделанных при помощи косми-ческого телескопа Хаббла, ученые смогли создать карту распределе-ния темной материи во Вселенной.
И сейчас продолжаются ожесточенные споры о том, из чего со-стоит темная материя. Некоторые ученые считают, что она можетсостоять из обычного вещества, которое просто плохо различимо(то есть из коричневых звезд-карликов, нейтронных звезд, черныхдыр и так далее, которые практически невидимы). Такие объекты рас-сматриваются в целом как «барионное вещество», то есть вещество,состоящее из известных барионов (таких, как нейтроны и протоны).Все вместе они называются МАСНО (сокращение, обозначающее«массивные компактные объекты гало»).
Другие считают, что, возможно, темная материя состоит из оченьгорячего небарионного вещества, такого, как нейтрино (его так иназывают — горячим темным веществом). Однако нейтрино дви-жутся настолько быстро, что на их счет нельзя списывать все скопле-ние темной материи в галактиках, наблюдаемое в природе. Третьиопускают руки и считают, что темная материя представляет собойпринципиально новый вид вещества, называемого «холодное тем-ное вещество», или WIMPS («слабо взаимодействующие массивныечастицы»), и, пожалуй, это лучшая «кандидатура» для объяснениятемной материи.
Спутник СОВЕ
При помощи обычного телескопа, рабочей лошадки астрономииеще со времен Галилея, видимо, невозможно разрешить загадкутемной материи. Астрономия продвинулась очень далеко, исполь-зуя обычные оптические средства, имеющиеся на Земле. Однако в1990-е годы появилось новое поколение астрономических прибо-ров, сконструированных с использованием новейших спутниковыхтехнологий, лазеров и компьютеров, которые полностью изменилилицо космологии.
Одним из первых плодов богатого урожая стал спутник СОВЕ(космический аппарат для изучения реликтового излучения), за-пущенный в ноябре 1989 года. Если работа Пензиаса и Вильсона
подтвердила лишь некоторые данные, вписывающиеся в теориюБольшого Взрыва, спутник СОВЕ измерил множество параметров,которые в точности соответствовали прогнозам Гамова и его сотруд-ников, выдвинутым в 1948 году, об излучении абсолютно черных тел.
В 1998 году на собрании Американского астрономическогообщества 1500 ученых внезапно вскочили и разразились бурнымиаплодисментами при виде фотографий, сделанных спутником СОВЕ,которые практически полностью согласовывались с тем фактом, чтотемпература микроволнового реликтового излучения составляет2,728° К.
Принстонский астроном Джереми Острайкер заметил: «Когдабыли обнаружены окаменелости в скалах, это совершенно четкообозначило происхождение видов. Что ж, спутник СОВЕ нашел ока-менелости [Вселенной]».
Однако фотографии, сделанные со спутника СОВЕ, были доволь-но размытыми. Например, ученые хотели проанализировать «го-рячие точки», или флуктуации космического фонового излучения,флуктуации, которые должны были составлять около одного градусав поперечнике. Но оборудование спутника СОВЕ было способноуловить флуктуации только семи и более градусов в поперечнике,оно не было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить эти ма-ленькие горячие точки. Ученые были вынуждены ждать результатовработы спутника WMAP, запуск которого ожидался в начале века;они надеялись, что новые данные помогут разрешить массу вопросови загадок.
ГЛАВА 4
Расширение
и параллельные вселенные
Ничего не происходит из ничего.
Лукреций
Я допускаю, что наша Вселенная и в самом деле появилась ниоткуда около 1010 лет назад... Я выдвигаю скромное предположение о том, что возникновение нашей Вселенной является одним из тех событий, что происходят время от времени.
Эдвард Трайон
Вселенная — это полностью бесплатный ланч.
Алан Гут
В
классическом научно-фантастическом романе Пола Андерсона«Тау Ноль» космический корабль под названием «ЛеонораКристин» запускают в Космос с заданием достичь близлежащихзвезд. На борту корабля находятся 50 человек; во время путешествияк новой звездной системе корабль может развивать околосветовуюскорость. Что еще более важно, в корабле действует принцип тео-рии относительности, который гласит, что чем быстрее движетсякорабль, тем больше замедляется время внутри корабля. А потомупутешествие к близлежащим звездам, которое заняло бы десятилетияс точки зрения людей на Земле, для астронавтов длится лишь н есколь-
ко лет. Наблюдателю с Земли, следящему за полетом астронавтов,показалось бы, что они заморожены во времени, их жизненные функ-ции полностью остановлены. Но для астронавтов на борту кораблявремя движется своим чередом. Когда корабль сбросит скорость иастронавты выйдут в новый мир, они обнаружат, что всего лишь занесколько земных лет прошли расстояние в 30 световых лет.
Корабль представляет собой чудо техники; он приводится вдействие прямоточными воздушно-реактивными двигателями, ко-торые черпают водород из космоса, а затем сжигают его, получаянеограниченное количество энергии. Корабль движется настолькобыстро, что экипаж даже может наблюдать допплеровское смещениезвездного света; звезды впереди кажутся голубоватыми, а звезды по-зади — красноватыми.
Затем происходит катастрофа. На расстоянии 10 световых лет отЗемли корабль проходит сквозь межзвездное пылевое облако и попа-дает в область турбулентности, в результате чего временно перестаетфункционировать система торможения. Перепуганный экипажоказывается в плену на вышедшем из-под контроля корабле, которыйвсе сильнее и сильнее разгоняется, приближаясь к скорости света.Члены экипажа беспомощно наблюдают за тем, как неуправляемыйкорабль за какие-то минуты пересекает целые звездные системы. Загод корабль проносится сквозь половину Галактики Млечный Путь.Бесконтрольно ускоряясь, корабль мчится мимо галактик; на это ухо-дят месяцы, в то время как на Земле проходят миллионы лет. Вскорескорость корабля настолько приближается к световой, «тау ноль»,что члены экипажа становятся свидетелями космических катастроф,на их глазах старится сама Вселенная.
В конце концов они видят, что изначальное расширение Вселен-ной прекращается и обращается вспять — Вселенная сжимается.Температура резко возрастает, и члены экипажа понимают, чтокорабль движется навстречу Большому Сжатию. Они молятся просебя, видя, что температура растет, галактики начинают сливаться вединое целое — космический первоатом. Кажется, что они неминуе-мо встретят свою смерть в огненном катаклизме.
Их единственная надежда на то, что вещество взорвется и разле-тится в пределах ограниченной области, а они на большой скоростипроскользнут мимо. Чудом их защита срабатывает, когда они проле-
тают мимо первоатома и оказываются свидетелями творения новойВселенной. Когда Вселенная вновь расширяется, их восхищеннымвзорам предстает картина творения новых звезд и галактик. Им уда-ется отремонтировать корабль, они тщательно рассчитывают курс,направляясь к достаточно взрослой галактике, которая содержит эле-менты высшего порядка, делающие жизнь в ней возможной. Наконецим удается обнаружить планету, где жизнь возможна, и основываюттам колонию, давая начало новому человечеству.
Эта история была написана в 1967 году, когда среди астроно-мов бушевали яростные споры о том, какова же конечная судьбаВселенной: погибнет ли она от Большого Сжатия или БольшогоОхлаждения, будет ли она бесконечно пульсировать или продолжитсвое существование в стационарном состоянии бесконечно? С техпор спор, кажется, нашел свое разрешение, и появилась новая тео-рия — теория инфляции (расширения).
Рождение теории инфляции
«Волнующее открытие», — такую запись сделал Алан Гут в своемдневнике в 1979 году. Он был воодушевлен сознанием того, что, воз-можно, натолкнулся на одну из величайших теорий космологии.Гут впервые за 50 лет подверг основательному пересмотру теориюБольшого Взрыва, сделав конструктивное наблюдение: он смог решитьнекоторые из глубочайших загадок космологии, предположив, чтоВселенная подверглась гиперинфляции (ускоренному расширению)в момент своего рождения, расширению гораздо более быстрому, чемсчитало большинство физиков. Гут обнаружил, что с учетом этогогиперрасширения он может безо всяких усилий разрешить массу глу-боких космологических вопросов, которые не поддавались никакомуобъяснению. Этой теории предстояло произвести революцию в кос-мологии. (Последние космологические данные, включая результаты,полученные со спутника WMAP, согласуются с прогнозами, которыедает эта теория.) Это не только единственная действенная космологи-ческая теория — она же простейшая и наиболее надежная.
Замечательно, что столь простая теория оказалась в состоянииразрешить так много сложных космологических вопросов. Одной изпроблем, которые так элегантно разрешала теория инфляции, была
проблема плоскостности Вселенной. Астрономические данные по-казали, что кривизна Вселенной очень близка к нулю: по сути, онанамного ближе к нулю, чем до этого считали многие астрономы. Этомогло бы объясняться тем фактом, что Вселенная, подобно шарику,который быстро надувают, стала более плоской за период расши-рения. Мы подобны муравьям, ползающим по поверхности шари-ка, — мы слишком малы, чтобы заметить очень маленькую кривизнушарика. Инфляция настолько «вытянула» пространство-время, чтооно кажется плоским.
Историческим в открытии Гута было то, что он применил физикуэлементарных частиц, занимающуюся анализом мельчайших частицв природе, к космологии, изучению Вселенной во всей ее целостно-сти, включая происхождение. Теперь мы понимаем, что глубочайшиезагадки Вселенной нельзя решить без физики чрезвычайно мало-го — мира квантовой теории и физики элементарных частиц.
Поиски объединения
Гут родился в 1947 году в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси).В отличие от Эйнштейна, Гамова и Хойла, в жизни Гута не было судь-боносного момента, толкнувшего его в мир физики. Ни его отец, нимать не получили высшего образования и не проявляли интереса кнауке. Но по собственному признанию Алана, его всегда восхищаласвязь математики с законами природы.
В Массачусетском технологическом институте в 1960-е годы онсерьезно рассматривал возможность заняться физикой элементар-ных частиц. В особенности его восхищало всеобщее возбуждение,причиной которого стало новое течение в физике, поиски объеди-нения всех основных сил. Святым Граалем физики были объединя-ющие мотивы, которые могли бы объяснить все тонкости строенияВселенной самым простым и связным образом. Целую вечностьфизики блуждали в поисках этого Грааля. Со времен древних грековученые считают, что Вселенная, которую мы видим сегодня, пред-ставляет собой обломки чего-то гораздо более простого, и нашацель — раскрыть суть этого простого.
За две тысячи лет исследований природы вещества и энергиифизики открыли, что механизм Вселенной приводят в действие всего
четыре основные силы. (Ученые пытались и пытаются найти возмож-ную пятую силу, но до сих пор все результаты исследований в этомнаправлении были отрицательными или неубедительными.)
Первая сила — гравитационное взаимодействие, которое удер-живает Солнечную систему как единое целое и движет планеты поих небесным орбитам в Солнечной системе. Если гравитацию не-ожиданно «выключить», то звезды в небесахвзорвутся, Земля рассы-плется и нас всех выбросит в открытый космос со скоростью околополутора тысяч километров в час.
Вторая сила — электромагнитное взаимодействие, котороеосвещает наши города, заполняет мир телевизорами, сотовыми теле-фонами, радиоприемниками, лазерными лучами и сетью Интернет.Если внезапно выключить электромагнитное взаимодействие, тоцивилизацию тут же отбросит на век-другой в прошлое, в темноту ибезмолвие. Это наглядно продемонстрировала авария энергосисте-мы в 2003 году, парализовавшая весь северо-восток США. Если мырассмотрим электромагнитную силу в микроскоп, то увидим, что онасостоит из крошечных частиц, или квантов, называемых фотонами.
Третья сила — слабое ядерное взаимодействие, отвечающее зарадиоактивный распад. Это слишком слабый фактор, чтобы удержи-вать атом как единое целое, он позволяет ядру разделиться на болеемелкие составляющие, или распасться. Радиоактивные приборы вбольницах во многом основываются на слабом ядерном взаимодей-ствии. Слабое ядерное взаимодействие также способствует разогре-ву земного ядра посредством радиоактивных веществ, что становит-ся причиной извержения вулканов. Слабое ядерное взаимодействие,в свою очередь, основывается на взаимодействии электронов инейтрино (призрачные частицы, практически не имеющие массы испособные проходить сквозь триллионы километров твердого свин-ца, ни с чем не сталкиваясь). Эти электроны и нейтрино взаимодей-ствуют, обмениваясь частицами, W- и Z-бозонами.
Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядра атомов. Безэтой силы ядра бы разделились на части, атомы бы распались, а всянаша реальность «расползлась» бы. Сильное ядерное взаимодей-ствие отвечает за примерно сотню элементов, которые заполняютВселенную. Вместе с тем сильное и слабое ядерные взаимодействияотвечают за свет, который испускают звезды согласно уравнению
Эйнштейна — Е =mc2. Без ядерного взаимодействия Вселенная по-грузилась бы во тьму, температура на Земле резко упала бы, а океаныпревратились бы в ледники.
Удивительной чертой этих четырех сил является то, что все онипринципиально отличаются друг от друга, обладая различными свой-ствами и имея свои достоинства. Например, гравитация намногослабее трех остальных сил, она в 1036 раз слабее электромагнитноговзаимодействия. Земля весит 6 триллионов килограммов, и все жеогромный вес и гравитация могут быть легко уравновешены с по-мощью электромагнитной силы. Даже ваша расческа может поднятьклочки бумаги с помощью статического электричества, тем самымпреодолевая силу гравитации. К тому же гравитация только притяги-вает свои объекты, электромагнитная же сила может как притягивать,так и отталкивать, в зависимости от заряда частиц.
Объединение на уровне теорииБольшого Взрыва
Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика,таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмяразличными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимо-действия должны быть столь непохожими друг на друга, обладатьразличными качествами, различной физикой и различным образомвзаимодействовать ?
Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить этичетыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объ-единения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он недобился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком малобыло известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютнореалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работаЭйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможностьсуществования «теории всего».
Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недо-стижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элемен-тарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц рас-щеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие»вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни
новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологи-ческим противоречием, космической шуткой. Древние греки счита-ли, что при расщеплении субстанции на основные составляющие всеупрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физикиизо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавитадля обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил,что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, ко-торый не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреатСтивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий ра-зум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.
Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн иДжордж Цвейг из Калифорнийского технологического институтапредложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтро-нов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон илинейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удержива-ющую частицы ядра). Это было лишь частным решением (посколькусегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влилоновую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.
В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Салам совершилиошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение сла-бого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создалиновую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называе-мые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена но-выми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами.Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, онисоздали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году СтивенВайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили Нобелевскуюпремию за совместную работу в области объединения двух изчетырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодей-ствий, — а также за активные исследования в области сильного ядер-ного взаимодействия.
В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, по-лученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра линейногоускорителя (SLAC), обстреливающем цель мощными зарядамиэлектронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили,что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутрипротона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюо-
нами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодей-ствия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада,можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обме-ниваются между собой глюонами. Это привело к созданию новойтеории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовойхромодинамикой.
Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить тривзаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так на-зываемую Стандартную модель — теорию кварков, электронов инейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W- иZ-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетиймучительной работы и исследований в области физики частиц. В на-стоящее время Стандартная модель способна структурировать всебез исключения экспериментальные данные, имеющие отношение кфизике частиц.
Хотя Стандартная модель — одна из наиболее успешных физиче-ских теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить,что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, ко-торая столь топорно описана. Например, в этой теории существует19 произвольных параметров, которые вписаны эмпирически (т. е.различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, ихнужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в под-линно объединяющей теории, эти константы должны определятьсясамой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов).
Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц,называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самомфундаментальном уровне будет использовать три точные копии су-батомных частиц. Если не считать их массы, то эти частицы точныекопии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, массакоторого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица, с массойв 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакогоупоминания о силе гравитации, хотя гравитация, пожалуй, наиболеевсепроникающая сила во Вселенной.
Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающийэкспериментальный успех, кажется такой надуманной, физики пыта-лись создать еще одну теорию, или теорию Великого Объединения(ТВО), которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем
основании. Она также рассматривала глюон, W- и Z-бозоны и фотонна одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окон-чательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительнымобразом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния состальными силами, как мы это увидим.)
Кварки Лептоны
Первоепоколение Ф
U-кварк (up) Ф
D-кварк (down) Ф
Электрон Ф
Нейтрино
Второепоколение Ф
С-кваркочарование Ф
S-кваркстранность Ф
Мюон Ф
Мюонноенейтрино
Третьепоколение Ф
Т-кварк (top) Ф -
В-кварк (bottom) Ф
Тау Ф
Тау-нейтрино
Ф
W-бозон t
Z-бозон ± О
БозонХиггса
Это субатомные частицы, содержащиеся в Стандартной модели —
наиболее успешной теории элементарных частиц.Она построена на кварках, из которых состоят протоны и нейтроны,лептонах, таких, как электрон и нейтрино, и многих других частицах.Обратите внимание, что результатом модели являютсятри одинаковые копии субатомных частиц. Поскольку Стандартная модель
не может объяснить гравитацию (и кажется такой нелепой),физики-теоретики считают, что эта теория не может быть окончательной.
Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологиюновую парадигму. Идея была очень простой и изящной: в моментБольшого Взрыва все четыре основные силы объединились в еди-ную связанную силу, загадочную «сверхсилу». Четыре силы былиравны друг другу по значимости и являлись частью единого связногоцелого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться иостывать, изначальная «сверхсила» начала «расщепляться» и от нееодна за другой начали «отпадать» различные силы.
Согласно этой теории, остывание Вселенной после БольшогоВзрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидкомсостоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однакопри замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечныхледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальнаяоднородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырь-ки и кристаллы.
Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно по-вреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит изнеровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидови взрьшающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, — бо-лее того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны другс другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, — это то,что она уже старая и холодная.
Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства,до сегодняшнего дня она прошла много «фазовых переходов», илиизменений состояния, при которых вселенские силы одна за другойосвобождались от взаимодействия с остальными по мере остыванияВселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать эта-пы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершен-ного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной,которое мы видим на сегодняшний день.
Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимоточно понять, как произошли эти «фазовые переходы» с моментасоздания Вселенной, которые ученые называют «спонтанныминарушениями». Будь то таяние льда, кипение воды, образованиедождевых облаков или охлаждение после Большого Взрыва, фазовыепереходы могут соединять два совершенно разных состояния веще-ства. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовыепереходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подве-сить 200 ООО кг воды в воздухе без всякой опоры? Ответ: образоватьоблако.)
Ложный вакуум
Процесс, когда одна сила отделяется от остальных, можно сравнитьс прорывом плотины. Реки текут по склонам, потому что вода течет
в направлении уменьшения энергии, то есть в сторону уровня моря.Наименьшим энергетическим состоянием является вакуум. Однакосуществует и необычный, ложный вакуум. Например, если мы соору-дим плотину на реке, то будет казаться, что она находится в стабиль-ном состоянии, в то время как в действительности она находится подогромным давлением. Если в плотине появится малейшая трещина,давление может разнести плотину, освободить поток энергии изложного вакуума (перегороженная плотиной река) и вызвать ката-строфический разлив ее в направлении истинного вакуума (уровеньморя). Могут быть затоплены целые населенные пункты, если вдругпроизойдет спонтанное разрушение плотины и внезапный переходот ложного вакуума к истинному.
Подобным образом, по теории Великого Объединения, Вселеннаяизначально возникла в состоянии ложного вакуума, где три силыбыли объединены в единое целое. Однако целостность эта была не-стабильной, она спонтанно разрушилась, и произошел переход изложного вакуума, где были объединены три силы, к истинному вакуу-му, где эти силы распались.
Все это было известно еще до того, как Гут начал анализироватьтеорию Великого Объединения. Но Гут заметил еще кое-что, чтопросмотрели другие. В состоянии ложного вакуума Вселенная рас-ширяется экспоненциально, в точности так, как предсказывал деСиттер в 1917 году. Энергия ложного вакуума является космоло-гической константой, которая заставляет Вселенную расширятьсяс невероятной скоростью. Гут задался судьбоносным вопросом:может ли это экспоненциальное расширение де Ситтера разрешитьнекоторые космологические проблемы?
Проблема монополя
Одним из прогнозов теорий Великого Объединения было образо-вание в начале времен множества монополей. Монополь — единич-ный магнитный полюс, северный или южный. В природе монополейне бывает: полюса встречаются только в паре. Если взять молоток иразбить им магнит пополам, то не получится двух монополей; вместоэтого у вас окажется два меньших магнита с парой полюсов, север-ным и южным соответственно.
Проблемой, однако, стало то, что ученые, веками эксперимен-тируя, не обнаружили убедительных доказательств существованиямонополя. Алан Гут был озадачен тем фактом, что теории ВеликогоОбъединения предсказывали существование большого количествамонополей, хотя никто никогда их не видел. «Подобно единорогу,монополь и до сих пор продолжает пленять человеческий разум,несмотря на отсутствие убедительных доказательств его существо-вания», — заметил Гут.
И тут внезапно ему в голову пришла идея. В мгновение ока всекусочки головоломного пазла встали на свои места. Он понял, чтоесли Вселенная зародилась в состоянии «ложного вакуума», то онамогла расширяться экспоненциально, как и предполагал де Ситтернесколько десятков лет тому назад. В этом состоянии ложного ваку-ума Вселенная могла внезапно инфляционно расшириться до неве-роятной степени. Если ученые до сих пор и не встречали монополя,то дело обстоит так лишь потому, что монополи были разбросаны повсей Вселенной, которая имела гораздо большие размеры, чем можнобыло предположить.
Для Гута это осознание стало источником радости и удивления.Такое простое решение могло бы в момент объяснить проблемумонополя. Но Гут понимал, что последствия этого решения для кос-мологии будут гораздо более существенными, чем он сам усматривалв своей идее.
Проблема плоскостности Вселенной
Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему, про-блему плоскостности Вселенной, которую мы упоминали ранее.Стандартная картина Большого Взрыва не могла объяснить, почемуВселенная такая плоская. В 1970-е годы считалось, что плотностьвещества во Вселенной, называемая to, равнялась приблизительноОД. Тот факт, что значение было относительно близко к критическойплотности 1,0 через столько миллиардов лет после Большого Взрыва,очень беспокоил ученых. По мере того как Вселенная расширялась,со должна была бы со временем измениться. Ее же значение былонеуютно близко к значению 1,0, которое описывает полностью пло-ский космос.
Уравнения Эйнштейна для любого разумного значения со в началевремен показывают, что в наши дни со должна равняться почти нулю.Потребовалось бы чудо, чтобы со находилась так близко к значению 1через столько миллиардов лет, прошедших после Большого Взрыва.Это то, что в космологии называют проблемой точной настройки.Бог, или Творец, должен был «выбрать» значение со с фантастиче-ской точностью, чтобы в наши дни она равнялась 0,1. Если в наши днизначение со находится в диапазоне от 0,1 до 10, то это подразумевает,что через одну секунду после Большого Взрыва ее значение равня-лось 1,00000000000000. Иными словами, в начале времен значениесо должно было быть «выбрано» равным единице с точностью доодной стотриллионной, что с трудом укладывается в голове. •
Представьте, что вы стараетесь поставить карандаш на острие.Сколько бы вы ни искали баланс, карандаш все равно падает. По сути,необходима потрясающая точность настройки — сбалансироватькарандаш таким образом, чтобы он не упал. А теперь попробуйтесбалансировать карандаш так, чтобы он простоял на острие грифеляне несколько секунд, а несколько лет! Вот также невероятна и точнаянастройка, необходимая для того, чтобы сегодня со равнялась 0,1.Малейшая ошибка в настройке стала бы причиной нынешнего зна-чения со, намного отличного от единицы. Так почему же плотностьстоль близка к Первому дню Творения, если, Тю справедливости, еезначение должно бы уйти астрономически далеко?
Для Гута ответ был очевиден. Вселенная просто-напросто рас-ширилась до такой степени, что стала казаться плоской. Подобночеловеку, считающему, что Земля плоская, потому что он не видитгоризонта, астрономы заключили, что значение со находится в обла-сти 1, потому что инфляция сделала Вселенную плоской.
Проблема горизонта
Инфляция не только объясняла факты, свидетельствующие о том, чтоВселенная плоская, — она также решила проблему горизонта. Этапроблема основана на простом понимании того, что ночное небо ка-жется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели.Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная одно-родна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные де-
сятками миллиардов световых лет. Мощнейшие телескопы не могутобнаружить каких-либо заметных отклонений в этой однородности.Наши космические спутники показали, что космическое фоновоемикроволновое излучение также распределено чрезвычайно одно-родно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фо-нового излучения меняется не более чем на одну тысячную градуса.
Но в этом-то и проблема, поскольку скорость света являетсяконечным скоростным пределом во Вселенной. За время жизниВселенной свет или информация никоим образом не могли пройтирасстояние от одной части ночного неба к другой. Если взять, ска-жем, микроволновое излучение, видимое в одном направлении, тооно путешествовало более 13 млрд лет с момента Большого Взрыва.Но если мы повернем голову на 180°, то увидим такое же микровол-новое излучение, которое тоже пропутешествовало более 13 млрдлет. Поскольку эти излучения имеют одну и ту же температуру, этоозначает, что они находились в термальном контакте еще в началевремен. Но различные точки в ночном небе, разделенные расстояни-ем в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва нико-им образом не могли обменяться информацией.
Ситуация выглядит еще хуже, если взглянуть на небо через380000 лет после Большого Взрыва, когда впервые образовалосьмикроволновое фоновое излучение. Если мы взглянем на противо-положные точки небесной сферы (не простым глазом, естественно),то увидим, что излучение почти однородно. Но, согласно расчетам врамках теории Большого Взрыва, между этими противоположнымиточками лежит расстояние в 90 миллионов световых лет (из-за кос-мического расширения после взрыва). Но свет никак не мог пройти90 миллионов световых лет за 380 000 лет. Информация должна былабы двигаться со скоростью, намного превышающей скорость света, аэто невозможно.
По справедливости, Вселенная должна бы казаться довольнокомковатой, при этом одна ее часть находилась бы слишком дале-ко от другой, чтобы они могли контактировать между собой. Какможет Вселенная казаться настолько однородной, когда у светапросто-напросто не было достаточно времени, чтобы перенести ираспространить информацию из одной части Вселенной в другую?(Принстонский физик Роберт Дик назвал эту проблему «проблемой
горизонта», поскольку горизонт — самая отдаленная точка, кото-рую мы можем видеть, самая отдаленная точка, до которой можетраспространяться свет.)
Однако Гут понял, что инфляция дает ключ к разрешению иэтой проблемы. Он сделал следующий вывод: наша Вселенная, ви-димо, была крошечным язычком изначального огненного облака.Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфля-ция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 1050раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потомувидимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ноч-ное небо и микроволновое излучение кажутся столь однороднымииз-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но од-нородным язычком изначального облака пламени, который внезапнорасширился, образовав Вселенную.
Реакция на инфляцию
Хотя Гут был уверен в том, что инфляционная теория верна, он не-сколько нервничал, когда начал читать первые публичные лекции.Когда в 1980 году он представил свою теорию, то признался: «Я всееще беспокоился о том, что некоторые заключения в теории моглибыть неверны. И побаивался, что покажусь незрелым космологом».Но его теория была столь изящна и мощна, что физики всего миранезамедлительно уяснили всю ее важность. Нобелевский лауреатМарри Гелл-Манн воскликнул: «Вы решили важнейшую проблемукосмологии!» Другой нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу посекрету сообщил Гуту, что Стивен Вайнберг был «взбешен», когдауслышал об «инфляции». Гут взволнованно спросил: «У Стива быликакие-то возражения по поводу теории?» Глэшоу ответил: «Нет,просто он жалел, что сам до нее не додумался». Ученые задавались во-просом, как они могли упустить такое простое решение. Теорию Гутавосторженно приняли физики-теоретики, пораженные ее размахом.
Новая теория расширила и перспективы Гута на получение рабо-ты. Когда-то из-за большой конкуренции на рынке труда он лицомк лицу столкнулся с безработицей. «Я находился в критическойситуации в смысле трудоустройства», — признавался он. Внезапнона него посыпались предложения из лучших университетов, но
Массачусетский технологический институт, который он выбрал ссамого начала, не прислал ему приглашения. Тогда же Гут прочиталзаписочку-предсказание, запеченную в печенье, которая гласила:«Если вы не слишком застенчивы, то прямо перед вами находитсяволнующая возможность». Это предсказание придало ему мужествапозвонить в Массачусетский технологический институт и осведо-миться о возможности получения работы. Он был ошеломлен, когдачерез несколько дней ему перезвонили из института и предложилидолжность профессора. В следующем печенье он обнаружил воттакое предсказание: «Не нужно действовать под влиянием момен-та». Не обратив внимания на совет, он решил принять предложениеМТИ. «В конце концов, что может знать китайское печенье?» —спросил он себя.
Однако возникли серьезные проблемы. Астрономы были неслишком очарованы теорией Гута, поскольку в ней зияла пробоина;она давала неверный прогноз со. Тот факт, что со относительно близ-ка к 1, мог объясняться теорией инфляции. Однако инфляционнаятеория шла намного дальше и предсказывала, что со (или со плюсл) должна в точности равняться 1, что соответствовало плоскойВселенной. В следующие годы по мере того, как накапливалось всебольше экспериментальных данных о расположении темной мате-рии во Вселенной, значение со несколько сдвинулось, поднявшись с0,1 до 0,3. Но это значение все еще было потенциально опасным длятеории инфляции. Хотя в течение следующего десятилетия физикипосвятили теории инфляции более трех тысяч работ, для астрономовона оставалась странной. Им казалось, что имеющиеся у них данныеисключают возможность инфляции Вселенной.
Некоторые астрономы жаловались, что физики, занимающиесятеорией частиц, настолько захвачены красотой теории инфляции,что готовы пренебречь экспериментальными фактами. (АстрономРоберт Киршнер из Гарварда писал: «Эта «инфляционная» тео-рия звучит безумно. Тот факт, что ее серьезно воспринимают люди,которые пользуются заслуженным авторитетом, не превращает ееавтоматически в правильную». Роджер Пенроуз из Оксфорда назвалтеорию инфляции «модой, которую специалисты, занимающиесяфизикой высоких энергий, навязали космологам. Даже муравьедыдумают, что их детеныши прекрасны».)
Сам же Гут верил: рано или поздно подтвердится, что Вселеннаяплоская. Но его и вправду беспокоил тот факт, что в изначальнойкартине наблюдался маленький, но очень серьезный недостаток,который и до сих пор не до конца объяснен. Теория инфляции иде-ально подходила для решения глубоких космологических проблем.Проблема заключалась в том, что Гут не знал, как «выключить» ин-фляцию.
Представьте, что вы поставили на огонь чайник и температураводы в нем подходит к точке кипения. Как раз перед тем, как закипеть,она мгновенно переходит в состояние высокой энергии. Она стре-мится закипеть, но не может, потому что для образования пузырьковей требуется какая-то неравномерность, инородное тело. Но когдапузырек образуется, он быстро переходит в состояние низкой энер-гии чистого вакуума, и чайник наполняется пузырьками. В концеконцов пузырьки становятся такими большими, что сливаются, покачайник не наполняется однородным паром. Когда все пузырьки сли-ваются, фаза перехода воды в пар завершена.
В изначальной картине Гута каждый пузырек представлял из себячастичку нашей Вселенной, расширяющейся из вакуума. Но когда Гутпровел расчеты, он обнаружил, что пузырьки не сливаются должнымобразом, тем самым оставляя Вселенную невероятно комковатой.Иными словами, по его теории оставался полный чайник пузырьковпара, которые никогда не сольются вместе, чтобы образовать полныйчайник однородного пара. Чайник кипящей воды Гута, казалось, ни-когда не превратится во Вселенную сегодняшнего дня.
В1981 году АндрейЛинде из Института П. Н. Лебедева в России, атакже Пол Дж. Штайнхардт и Андреас Альбрехт из Пенсильванскогоуниверситета нашли способ разрешить эту загадку, поняв, что еслиодиночный пузырекложного вакуума будет расширяться достаточнодолго, то в конце концов он заполнит весь «чайник» и создаст одно-родную Вселенную. Иными словами, наш мир может быть побочнымпродуктом одиночного пузырька, который расширился и заполнилВселенную. Тогда не понадобилось бы большое количество пузырь-ков, которые должны слиться и заполнить чайник однородным па-ром. Достаточно было бы одиночного пузырька, при условии, что онрасширялся бы достаточно долго.
Вернемся к аналогии с плотиной и ложным вакуумом. Чем ширеплотина, тем больше времени понадобится воде, чтобы ее прорвать.Если стена плотины достаточно толстая, то время, нужное воде, что-бы пройти сквозь плотину, может быть произвольно долгим. ЕслиВселенная может расшириться в 1050 раз, то у одиночного пузырькадостаточно времени решить проблемы горизонта, плоскостнойВселенной и монополя. Иными словами, если процесс туннелиро-вания достаточно замедлен, то Вселенная расширяется достаточнодолго, чтобы стать плоской и чтобы по ней распространились моно-поли. Но это все же не решает вопрос: какой механизм может про-длить инфляцию такого большого масштаба?
В конце концов, эта трудная проблема стала известна как «про-блема мягкого выхода», то есть как расширять Вселенную достаточ-но долго, чтобы один-единственный пузырек смог образовать цели-ком всю Вселенную. За несколько лет было предложено по крайнеймере 50 различных способов решения «проблемы мягкого выхода».(Это обманчиво простая задача. Я сам пытался найти несколькорешений. Было относительно легко создать расширение умеренныхмасштабов в ранней Вселенной. Но чрезвычайно трудно заставитьВселенную расшириться в 1050 раз. Конечно, можно просто вписатьцифру 1050, но это будет искусственно и натянуто.) Иными словами,общепринятым было мнение, что процесс инфляции решает пробле-му монополя, горизонта и плоскостности Вселенной, но никто точноне знал, что вызвало инфляцию и что ее остановило.
Хаотическое расширениеи параллельные вселенные
Физика Андрея Линде нисколько не беспокоил тот факт, что никто неторопился с решением проблемы мягкого выхода. Линде признавал-ся: «У меня было такое чувство, что Бог просто не мог не воспользо-ваться такой возможностью упростить свою работу».
В конце концов Линде предложил новый вариант теории инфля-ции, который, казалось, не содержал некоторых недостатков пре:дыдущих версий. Он представлял Вселенную, в которой в различныхвременных и пространственных отрезках происходят спонтанные
нарушения. В каждой точке, где происходит нарушение, возникает ,Вселенная, которая расширяется. Большую часть времени расши-'рение незначительно. Но поскольку процесс беспорядочен, в концеконцов возникает пузырек, расширение которого длится достаточнодолго для того, чтобы создать нашу Вселенную. Из этого логическивытекает, что расширение является длительным и вечным, большиевзрывы случаются постоянно, одни вселенные отпочковываютсяот других вселенных. Согласно этому сценарию, вселенные могут«распускаться бутонами» других вселенных, создавая тем самым«Мультивселенную».
Согласно этой теории, спонтанное нарушение может произойтигде угодно в нашей Вселенной, став причиной того, что от нашейВселенной отпочкуется еще одна. Это также означает, что и нашаВселенная могла отпочковаться от другой вселенной. Согласно хао-тической инфляционной модели, Мультивселенная вечна, даже еслине вечны отдельные вселенные. В некоторых вселенных значениеш может быть очень большим, и тогда они немедленно прекратятсвое существование в результате Большого Сжатия после БольшогоВзрыва. В других вселенных это значение может быть совсем близ-ким к нулю, в результате чего они будут расширяться вечно. В концеконцов в Мультивселенной начинают доминировать те вселенные,которые стремительно расширяются.
Оглядываясь назад, можно сказать, что сама идея существованияпараллельных вселенных буквально навязана нам. Инфляционная те-ория представляет собой синтез традиционной космологии с дости-жениями в области физики элементарных частиц. Будучи квантовойтеорией, физика частиц утверждает, что существует ограниченнаявероятность происхождения маловероятных событий, таких, каксоздание параллельных вселенных. Таким образом, как только мыпризнаем возможность создания одной Вселенной, мы тем самымоткроем двери возможности создания бесконечного множествапараллельных вселенных. К примеру, вспомните о том, как квантоваятеория описывает электрон. Вследствие нестабильности электронне существует ни в одной отдельно взятой точке, а существует вовсех возможных точках вокруг ядра. Это электронное «облако»,окружающее ядро, представляет электрон, находящийся во многихположениях одновременно. Это основа всей химии, позволяющая
электронам связывать молекулы между собой. Наши молекулы не рас-творяются, потому что вокруг них танцуют электроны, удерживая ихв целостности. Подобным образом и наша Вселенная была когда-томеньше электрона. Применяя квантовую теорию ко Вселенной, мывынуждены признать, что Вселенная существует одновременно вомногих состояниях. Иными словами, допустив применение кванто-вых флуктуации ко Вселенной, мы почти вынуждены признать воз-можность существования параллельных Вселенных. Похоже, выбору нас невелик.
Вселенная из ничего
Можно, конечно, возражать против понятия Мультивселенной, по-тому что кажется, что ее существование нарушает известные намзаконы, такие, как законы сохранения вещества и энергии. Однаковсе энергетическое/материальное содержимое.Вселенной можетв действительности оказаться очень'малым. Материальное содер-жимое Вселенной, включая звезды, планеты и галактики, огромно иимеет величину положительную. Однако энергия, скрытая в грави-тации, может быть отрицательной. Если добавить положительнуюэнергию вещества к отрицательной энергии гравитации, то суммаможет оказаться близкой к нулю! В каком-то смысле такие вселенныесвободны. Они могут выпрыгнуть из вакуума практически без всякихусилий. (Если Вселенная является вселенной закрытого типа, то всеэнергетическое содержимое Вселенной должно быть в точностиравно нулю.)
(Чтобы ухватить суть, представьте осла, падающего в глубокуюяму, выкопанную в земле. Чтобы вытащить его оттуда, мы должныдобавить ему энергии. Когда его вытащат и он снова будет стоятьна земле, его энергия будет считаться нулевой. Таким образом, намнеобходимо добавить энергии ослу, чтобы привести его в состояниенулевой энергии. Получается, что, пока он был в яме, у него была от-рицательная энергия. Подобным образом, для того, чтобы вытащитьпланету из Солнечной системы, необходимо приложить энергию.Как только планета окажется в открытом космосе, она будет обладатьнулевой энергией. Поскольку нам необходимо добавить энергии длятого, чтобы извлечь планету из Солнечной системы и достичь со-
стояния нулевой энергии, то, находясь внутри Солнечной системы,планета обладает отрицательной гравитационной энергией.)
По сути, для того, чтобы создать Вселенную, похожую на нашу,'может потребоваться до смешного малое количество вещества —возможно, всего лишь 1 унция (28,3495 г). Как любит повторятьГут, «Вселенная может быть бесплатным завтраком». Эта идея былавпервые предложена физиком Эдвардом Трайоном из Хантер-кол-леджа Нью-Йоркского университета, в работе, опубликованнойжурналом «Нэйчер» (Nature) в 1973 году. Он предположил, чтоВселенная — это нечто, «что происходит время от времени» вслед-ствие квантовых флуктуации в вакууме. (Хотя общее количество ве-щества, необходимого для создания Вселенной, может быть близкимк нулю, вещество может быть сжато до невероятной плотности, какмы увидим в главе 12.)
Подобно мифу о Пань-гу, это является примером космологииcreatio ex nihilo. Хотя теория о Вселенной-из-ничего не может бытьдоказана традиционными методами, она все же помогает ответитьна практические вопросы о существовании Вселенной. К примеру,вращается ли Вселенная вокруг своей оси? Все, что мы видим вокруг,вращается — от волчков, ураганов, планет и галактик до квазаров.Кажется, это универсальная характеристика вещества во Вселенной.Но сама Вселенная не вращается. Когда мы смотрим на галактики внебесах, их общее вращение сводится к нулю. (Это довольно удачно,потому что, как мы увидим в главе 5, если бы Вселенная действитель-но вращалась, то путешествие во времени стало бы делом обычными запись истории была бы невозможной.) Причиной, по которойнаша Вселенная не вращается, может быть то, что она возникла изничего. Поскольку вакуум не вращается, мы не ждем, что в нашейВселенной возникнет какое-нибудь суммарное вращение. По сути,все вселенные-пузырьки в Мультивселенной могут иметь нулевоевращение.
Почему положительный и отрицательный электрические за-ряды сбалансированы? Обычно, рассуждая о космических силах,управляющих Вселенной, мы больше думаем о гравитации, нежелио силе этого электромагнитного взаимодействия, хотя сила гравита-ции бесконечно меньше силы электромагнитного взаимодействия.Причиной является совершенный баланс между положительным и
отрицательным зарядами. В результате общий заряд Вселенной, ви-димо, нулевой, и кажется, что во Вселенной преобладает гравитация.
Хотя мы принимаем это как должное, явление нейтрализацииположительных и отрицательных зарядов довольно любопытно ибыло экспериментально проверено с точностью до 10~21. (Конечно,существует местный дисбаланс зарядов, а потому мы периодическиимеем дело с молниями. Но общее количество зарядов, даже для гроз,сводится к нулю.) Если бы разница между положительными и отрица-тельными зарядами в вашем теле составляла хотя бы 0,00001 %, то васмгновенно разорвало бы в клочья, а электрическая сила выкинула бычасти вашего тела в открытый космос.
Ответом на эти загадки, в течение долгого времени терзавшиеученых, может служить то, что Вселенная произошла из ничего.Поскольку у вакуума общее вращение и заряд равны нулю, то у любойдочерней Вселенной, выпрыгнувшей из ничего, вращение и зарядтакже должны быть нулевыми.
Существует одно бесспорное исключение из этого правила^.Этим исключением является тот факт, что Вселенная состоит побольшей части из вещества, а не из антивещества. Поскольку веще-ство и антивещество противоположны (при этом антивещество име-ет в точности противоположный веществу заряд), мы могли бы пред-положить, что при Большом Взрыве возникло равное количествовещества и антивещества. Однако проблема в том, что при контактевещество и антивещество уничтожат друг друга во взрыве гамма-лучей. Таким образом, мы вообще не должны были бы существовать.Вселенная была бы беспорядочным скоплением гамма-лучей, а неизобиловала бы обычным веществом. Если бы Большой Взрыв былполностью симметричен (или произошел из ничего), то нам следо-вало бы ожидать образования одинакового количества веществаи антивещества. Так почему же мы все-таки существуем? Решение,предложенное русским физиком Андреем Сахаровым, состоит втом, что Большой Взрыв вовсе не был абсолютно симметричным.Крошечное количество симметрии между веществом и антивеще-ством было нарушено в момент создания, а потому вещество сталодоминировать над антивеществом и это сделало возможным суще-ствование Вселенной, которую мы видим вокруг себя. (Симметрия,нарушенная в момент Большого Взрыва, называется СР-симметрией
(CP-symmetry), это симметрия равенства противоположных заря-дов и равенства частиц вещества и антивещества.) Если Вселеннаяпроизошла из «ничего», то, возможно, «ничто» не было совсемпустым, но содержало в себе небольшое количество нарушения сим-метрии, что объясняет небольшое преобладание вещества над анти-веществом в наши дни. Происхождение этого нарушения симметриии до сих пор неизвестно.
Как могли бы выглядеть другие вселенные?
Идея Мультивселенной весьма привлекательна, потому что все, чтонам нужно сделать, — это предположить, что спонтанное наруше-ние происходит беспорядочно. Не нужно делать никаких другихпредположений. Каждый раз, как какая-либо вселенная выбрасываетбутон другой вселенной, физические постоянные уходят от первона-чальных, создавая новые законы физики. Если это действительно так,то в каждой новой вселенной может возникнуть совершенно новаяреальность. Но тут возникает потрясающий вопрос: как выглядятэти другие вселенные? Ключом к пониманию физики параллельныхвселенных является знание того, как эти вселенные созданы, то естьточное понимание того, как происходит спонтанное нарушение.
Когда происходит спонтанное нарушение и возникает вселенная,это также нарушает симметрию первоначальной теории. Для физикакрасота — это симметрия и простота. Если теория совершенна, тоэто означает, что в ней заложена абсолютная симметрия, котораяможет объяснить множество данных наиболее сжатым и экономич-ным путем. Точнее, уравнение считается совершенным, если оноостается неизменным, когда мы меняем его члены местами. Залогомобнаружения скрытой в природе симметрии оказывается то, чтоявления, кажущиеся различными, по сути своей есть проявлениямиодного и того же, связаны между собой симметрией. Например, мыможем показать, что электричество и магнетизм в действительностиразные аспекты одного и того же явления, поскольку существуетсимметрия, которая может сделать их взаимозаменяемыми в рамкахуравнений Максвелла. Подобным образом Эйнштейн доказал, чтотеория относительности может превращать пространство во время
и наоборот, поскольку они являются частью целого, материи време-ни-пространства.
Представьте снежинку, в которой мы видим совершенную шести-кратную симметрию, источник бесконечного восхищения. Суть кра-соты снежинки состоит в том, что она не изменяется при поворотеснежинки на 60 градусов. Это также означает, что любое уравнение,которое мы составим для описания снежинки, должно отражатьтот факт, что она остается неизменной при повороте на количествоградусов, кратное 60. Математически мы говорим, что снежинка об-ладает симметрией С6.
В симметрии закодирована красота природы. Но в действитель-ности сегодня симметрии нарушены. Четыре фундаментальныхвзаимодействия Вселенной совсем не похожи друг на друга. Посути, Вселенная полна неравномерностей и дефектов; нас окружаютобломки и осколки первоначальной фундаментальной симметрии,вдребезги расколотые Большим Взрывом. Таким образом, ключомк пониманию возможных параллельных Вселенных служит понима-ние «нарушения симметрии» — то есть того, как эти симметриимогли нарушиться после Большого Взрыва. Как сказал Дэвид Гросс:«Секрет природы — симметрия, но значительная часть мировойструктуры является следствием нарушения симметрии».
Представьте, что красивое зеркало разбивается на тысячи оскол-ков. Первоначальное зеркало обладало совершенной симметрией.Но когда оно разбилось, первоначальная симметрия оказалась утра-чена. Определив, как именно нарушена симметрия, можно понять,как разбилось зеркало.
Нарушение симметрии
Чтобы понять этот факт, задумайтесь о развитии эмбриона. Наранних стадиях, то есть через несколько дней после зачатия, эмбри-он — это совершенная сфера, состоящая из клеток. Каждая клетканичем не отличается от остальных. Сфера выглядит одинаково, скакой бы стороны мы на нее ни взглянули. Физики утверждают, чтов этом случае эмбрион обладает симметрией 0(3), то есть остаетсянеизменным, по какой бы оси вращения вы его ни поворачивали.
Хотя эмбрион прекрасен и изящен, он довольно бесполезен.Представляя собой совершенную сферу, он не может выполнять ка-кую-либо полезную функцию или взаимодействовать с окружающейсредой. Однако со временем эмбрион нарушает эту симметрию: унего развивается крошечная головка и тело, и он становится похо-жим на кеглю. Хотя изначальная сферическая симметрия нарушена,эмбриону все же присуща остаточная симметрия — он остаетсянеизменным при вращении его вокруг собственной оси. Таким об-разом, он обладает цилиндрической симметрией. Математическиэто означает, что первоначальная симметрия О(З) сферы свелась ксимметрии 0(2) цилиндра.
Однако нарушение симметрии О (3) могло бы происходить иначе.Например, у морской звезды нет ни цилиндрической, ни двусторон-ней симметрии; вместо этого при нарушении сферической симме-трии у нее появляется симметрия С5 (которая остается неизменнойпри повороте на 72 градуса), что придает ей форму пятиугольнойзвезды. То есть, то, каким образом нарушается симметрия 0(3),определяет форму организма при рождении.
Ученые считают, что Вселенная подобным образом зародилась всостоянии идеальной симметрии, где все взаимодействия были объ-единены в целое. Вселенная была совершенной, симметричной, нодовольно бесполезной. Та жизнь, которая нам известна, не могла бысуществовать в этом идеальном состоянии. Чтобы появилась жизнь,при остывании Вселенной ее симметрия должна была нарушиться.
Симметрия и Стандартная модель
Подобным же образом для того, чтобы понять, как выглядят па-раллельные Вселенные, мы для начала должны понять симметриюсильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Например,сильное взаимодействие основано на трех кварках, которые ученыеметят, символически приписывая им «цвета» (например, красный,белый и синий). Мы хотим, чтобы уравнения оставались неизмен-ными, если поменяем местами эти три цветных кварка. Мы говорим,что уравнения обладают симметрией SU(3), то есть они останутсянеизменными, если мы перемешаем эти три кварка. Ученые считают,что теория, обладающая симметрией SU(3), представляет наиболее
точное описание сильных взаимодействий (называемое «квантовойхромодинамикой»). Если бы у нас был гигантский суперкомпьютер,то только по массам кварков и силе их взаимодействия мы, теорети-чески, могли бы вычислить все свойства протона и нейтрона и всехарактеристики ядерной физики.
Пусть у нас есть два лептона — электрон и нейтрино. Если мы по-меняем их местами в уравнении, то у нас будет симметрия SU(2). Мыможем добавить свет, группа симметрии которого U( 1). (Эта группасимметрии меняет местами между собой различные составляющие,или поляризации света.) Таким образом, группой симметрии слабо-го и электромагнитного взаимодействия является SU(2)xU( 1).
Если мы просто «склеим» эти три теории, то получим (и это не-удивительно) симметрию SU(3)xSU(2)xU(l), — иными словами,симметрию, которая отдельно «склеивает» три кварка между собойи отдельно два лептона между собой (но не смешивает кварки и леп-тоны). В результате получили теорию Стандартной модели — воз-можно, одной из наиболее успешных теорий в истории человечества.Как утверждает Гордон Кейн из Мичиганского университета: «Все,что происходит внашем мире (кроме воздействия гравитации), про-истекает из взаимодействия частиц согласно Стандартной модели».Некоторые из ее положений были экспериментально проверены влабораторных условиях и оправдались с точностью до одной стомил-лионной. (Вообще, физики, которые собрали вместе составляющиеСтандартной модели, получили 20 Нобелевских премий.)
В конце концов, можно было бы построить теорию, объединяю-щую сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие в единуюсимметрию. Простейшая из теорий Великого Объединения, кото-рая способна на это, меняет местами все пять частиц (три кварка идва лептона) одновременно. В отличие от симметрии Стандартноймодели, симметрия Великого Объединения может перемешиватькварки и лептоны (что означает, что протоны могут распадаться ипревращаться в электроны). Иными словами, в теории ВеликогоОбъединения используется симметрия SU(5) (которая перетасовы-вает все пять частиц — три кварка и два лептона — между собой).За многие годы было проанализировано много других групп сим-метрии, но SU(5), видимо, является минимальной группой, котораявписывается в расчетные данные.
Когда происходит спонтанное нарушение, первоначальная симме-трия ТВО может разрушиться несколькими путями. В одном случаесимметрия ТВО разрушается до SU(3)xSU(2)xU( 1), где есть ровно19 параметров, которые нам необходимы для описания свойствВселенной. Это описывает свойства известной Вселенной. Однаков действительности есть много различных вариантов разрушениясимметрии ТВО. В других вселенных наверняка будет наблюдатьсясовершенно иная остаточная симметрия. Минимальным различиембудут отличные от наших значений 19 параметров. Иными словами,действие различных сил будет различаться в разных вселенных, ведяк огромным изменениям в структуре Вселенной. К примеру, ослабивсилу ядерного взаимодействия, можно предотвратить образованиезвезд, что погрузит Вселенную в вечную тьму и сделает невозможнойсуществование в ней. Если силу ядерного взаимодействия увеличить,то звезды могут израсходовать свое ядерное топливо слишком бы-стро, чтобы успела зародиться какая-либо жизнь.
Группа симметрии может измениться таким образом, что этостанет причиной образования совершенно иной вселенной. В не-которых из таких вселенных протон может оказаться неустойчивыми быстро распасться на позитроны. В таких вселенных невозможнаизвестная нам жизнь, они быстро распадутся в безжизненное облакоэлектронов и нейтрино. В других вселенных распад симметрии ТВОможет пойти иным путем — будет больше устойчивых частиц, таких,как протоны. В такой вселенной могло бы существовать огромноеразнообразие новых неизвестных химических элементов. Формыжизни в таких вселенных были бы более сложными, чем в нашей, таккак там соединения, подобные ДНК, создавались бы из большегоколичества элементов.
Мы можем также разбить изначальную симметрию ТВО такимобразом, что в результате получим несколько симметрии U(l).Это определит существование нескольких форм света, а не одной.Подобная Вселенная действительно была бы удивительной — су-щества, обитающие в ней, могли бы «видеть», пользуясь не одной,а несколькими силами. В такой Вселенной глаза любого живогосущества были бы снабжены большим количеством разнообразныхрецепторов для улавливания различных видов излучения, подобныхсветовому.
Неудивительно, что существуют сотни, а возможно, бесчисленноемножество возможностей разбить эти симметрии на составляющие.В свою очередь, каждое из возможных решений может соответство-вать совершенно иной вселенной.
Проверяемые прогнозы
К несчастью, проверка теории Мультивселенной, предполагающейсуществование многочисленных вселенных с различным наборомфизических законов в каждой из них, в настоящее время не являетсявозможной. Для того, чтобы добраться до параллельных вселенных,необходимо двигаться со скоростью, превышающей скорость света.Но одним из преимуществ инфляционной теории является то, чтоона делает заключения о природе нашей Вселенной, которые можнопроверить.
Поскольку инфляционная теория — теория квантовая, онаосновывается на принципе неопределенности Гейзенберга, крае-угольном камне квантовой теории. (Принцип неопределенностигласит, что нельзя произвести измерения с бесконечной точнос-тью, например такие, как измерение скорости и местоположенияэлектрона. При этом неважно, насколько чувствительны прибо-ры, -— в измерениях все равно будет присутствовать некотораянеопределенность. Если вам точно известна скорость электрона,то не может быть известно его местоположение; если вы точнознаете его местоположение, то вы не можете знать его скорость.)Применительно к изначальному огненному облаку БольшогоВзрыва это означает, что первоначальный космический взрыв немог быть бесконечно «ровным». (Если бы он был идеально одно-родным, то мы бы знали точные траектории субатомных частиц,разлетевшихся в результате Большого Взрыва, что противоречитпринципу неопределенности.) Квантовая теория позволяет намвычислить размер этих волн, или флуктуации, в первоначальномоблаке огня. Если мы расширим эти крошечные многочисленныеволны, то сможем вычислить минимальное количество волн, кото-рое должны увидеть в фоновом микроволновом излучении через380 000 лет после Большого Взрыва. (А если мы расширим эту рябьдо настоящего времени, то должны увидеть расположение галакти-
ческих скоплений. Наша галактика сама появилась в виде одной изэтих крошечных флуктуации.)
Первоначальный поверхностный анализ данных со спутникаСОВЕ не обнаружил отклонений или флуктуации в фоновом микро-волновом излучении. Это несколько озаботило физиков, посколькуидеально гладкий микроволновый фон противоречил бы не толькоинфляционной теории, но также и всей квантовой теории, нарушаяпринцип неопределенности. Это потрясло бы физическую науку досамого основания. Возможно, пришлось бы разрушить весь фунда-мент квантовой физики XX века.
К великому облегчению ученых, доскональное изучение обра-ботанных на компьютере данных со спутника СОВЕ обнаружилоразмытую рябь, при этом колебания температуры не превосходили10-5 — минимальный размер отклонения, допускаемый кванто-вой теорией. Эти бесконечно малые волны ряби вписывались винфляционную теорию. Гут признался: «Я совершенно очарованкосмическим фоновым излучением. Сигнал был таким слабым, чтоего обнаружили лишь в 1965 году, а теперь измеряют флуктуации сточностью до 10-5».
Хотя накапливаемые экспериментальные данные постепенноподтверждали инфляционную теорию, ученым все еще предстоялорешить мучительную проблему значения со — объяснить тот факт,что со равнялась 0,3, а не 1,0.
Сверхновые — возвращение лямбды
Хотя оказалось, что теория инфляции согласуется с данными, полу-ченными со спутника СОВЕ, все же до 1990-х годов астрономы роп-тали на то, что она вопиющим образом нарушает экспериментальныеданные, касающиеся значения со. Впервые ситуация начала изменять-ся в девяностых в результате обработки данных, полученных из со-вершенно неожиданной области. Астрономы пытались пересчитатьскорость расширения Вселенной в далеком прошлом. Вместо ана-лиза переменных цефеид (которым в 1920-е годы занимался Хаббл)астрономы начали изучение сверхновых в далеких галактиках на рас-стоянии миллиардов световых лет в прошлом. В частности, они ис-
следовали тип сверхновых 1а. Сверхновые этого типа — идеальныекандидаты в стандартные свечи.
Астрономам известно, что все сверхновые этого типа характери-зуются приблизительно одинаковой яркостью. (Яркость сверхновыхтипа 1а изучена настолько хорошо, что могут быть замечены даженебольшие отклонения: чем ярче сверхновая, тем медленнее убываетее яркость.) Такие сверхновые Появляются, когда белый карлик вдвойной звездной системе медленно вытягивает вещество из своегоспутника. Кормясь от сестры-звезды, белый карлик постепенно уве-личивает массу, и так до тех пор, пока она не достигает 1,4 солнечноймассы, максимально возможной для белого карлика. Превысив этотпредел, они коллапсируют и взрываются как сверхновые типа 1а.Эта предельная масса и объясняет тот факт, что все сверхновые ти-па 1а так однородны в своей яркости — это естественное следствиетого, что белые карлики увеличивают массу ровно до 1,4 солнечноймассы, а затем коллапсируют под воздействием силы гравитации.(Как показал Субраманьян Чандрасекар в 1935 году, в белом карли-ке сила гравитации, разрушающая звезду, уравновешивается силойотталкивания электронов, которая называется давлением вырож-денных электронов. Если белый карлик превосходит 1,4 солнечноймассы^, то гравитация преодолевает эту силу и звезда разрушается,а результатом этого разрушения становится сверхновая.) Посколькувзрывы отдаленных сверхновых произошли в молодой Вселенной,то посредством их анализа можно рассчитать скорость расширенияВселенной миллиарды лет назад.
Две независимые группы астрономов -— возглавляемые СоломПерлмуттером «Проект космологии сверхновых» (SupernovaCosmology Project) и Брайаном П. Шмидтом «Группа поисков сверх-новых с большим красным смещением» (High-Z Supernova SearchTeam) — рассчитывали обнаружить, что Вселенная, продолжая рас-ширяться, все же постепенно замедляет скорость расширения. Длянескольких поколений астрономов это было догмой, которой училиво всех курсах космологии, — «изначальное расширение постепен-но замедляется».
После того как каждая из групп изучила около дюжины сверхно-вых, они обнаружили, что Вселенная расширяется не так быстро, как
считалось раньше (то есть красное смещение сверхновых — а следо-вательно, и их скорость — было меньше априорных ожиданий). Присравнении скорости расширения ранней Вселенной и Вселеннойнаших дней обе группы астрономов заключили, что в наши днискорость расширения Вселенной — не меньше, а больше. К своемубольшому удивлению, обе группы пришли к поразительному выводу:расширение Вселенной ускоряется.
В полное смятение их привело то, что ни одно из значений со невписывалось в полученные ими данные. Единственным способом,позволяющим согласовать данные и теорию, было возвращениелямбды (λ), энергии вакуума, впервые введенной Эйнштейном. Болеетого, астрономы обнаружили, что ω была просто задавлена необы-чайно большой λ, что вызывало ускорение Вселенной по сценариюде Ситтера. Две группы совершенно независимо друг от друга при-шли к этому потрясающему выводу, но не торопились публиковатьрезультаты из-за господствующего предубеждения, что значение λравнялось нулю. Как сказал Джордж Джейкоби из обсерваторииКитт-Пик: «λ всегда была донкихотским понятием, и любого, кто былдостаточно не в себе, чтобы сказать, что она не равна нулю, считалиспятившим».
Шмидт вспоминает: «Я все еще качал головой, но мы все про-верили... Мне не хотелось говорить об этом людям, потому что насразорвали бы на части». Однако, когда в 1998 году обе группы опу-бликовали свои результаты, целую гору представленных ими данныхбыло не так-то легко сбросить со счета. λ, «величайшая ошибка»Эйнштейна, которую в современной космологии практически и невспоминали, возвращалась через 90 лет забвения!
Физики были ошеломлены. Эдвард Виттен из Института пере-довых исследований в Принстоне заявил, что это было «самое не-обычайное экспериментальное открытие с того момента, как я началзаниматься физикой». Когда значение ω = 0,3 добавили к значениюλ=0,7, то сумма оказалась (с учетом погрешности в ходе эксперимен-та) равной 1,0, то есть результат совпал с тем, который предсказывалатеория инфляции. Будто бы части головоломки встали на свои места,и космологи увидели недостающий фрагмент в теории инфляции. Онпришел прямиком из вакуума.
Этот результат был самым впечатляющим образом подтвержденспутником WMAP, который показал, что энергия, приписываемаяλ, или темная материя, составляет 73 % всего вещества и энергииво Вселенной, что отводит ей доминирующее место в космическойголоволомке.
Фазы Вселенной
Возможно, основным вкладом спутника WMAP в науку стало то, чтоон дал ученым уверенность в правильности Стандартной моделикосмологии. Хотя и до сих пор существуют огромные «белые пят-на», перед глазами астрофизиков начинают вырисовываться общиеконтуры Стандартной теории, рождающейся из общего количестваполученных данных. Согласно картинке, которую мы сейчас скла-дываем из отдельных элементов, в эволюции Вселенной по мере ееостывания прослеживались отдельные этапы. Переход от одного эта-па к другому означает нарушение симметрии и отсечение одного изфундаментальных природных взаимодействий. Ниже представленыте фазы и вехи, которые известны нам на сегодняшний день:1. До 10-43 секунды — эпоха Планка.
Об эпохе Планка точно почти ничего не известно. Приэнергии Планка (1019 млрд электронвольт) гравитационноевзаимодействие было столь же сильным, как и остальныемногочисленные силы. Как следствие, четыре взаимодействияВселенной были, видимо, объединены в единую «сверх-силу». Возможно, Вселенная существовала в совершенномсостоянии «небытия», или пустого пространства с большимколичеством измерений. Та загадочная симметрия, котораясмешивает все четыре взаимодействия, оставляя уравнениянеизменными, — скорее всего, «сверхсимметрия» (см. гла-ву 7). По неизвестным причинам эта загадочная симметрия,объединявшая все четыре взаимодействия, была нарушена,и сформировался крошечный пузырек — эмбрион нашейВселенной, возникший, возможно, в результате значительной,но случайной флуктуации. Размеры этого пузырька не превы-шали длины Планка, которая составляет 10-33 см.
2.10-43 секунды — эпоха ТВО.
Произошло нарушение симметрии, что стало причиной об-разования стремительно расширяющегося пузырька. Помере того как пузырек расширялся, четыре фундаментальныхвзаимодействия стремительно отделились друг от друга.Гравитация первой отделилась от трех остальных взаимодей-ствий, вызвав ударную волну во всей Вселенной. Изначальнаясимметрия сверхсилы была нарушена и превратилась в сим-метрию меньшего порядка, которая, возможно, содержала всебе симметрию ТВО SU(5). Оставшиеся сильное, слабое иэлектромагнитное взаимодействия были все еще объединенысимметрией ТВО. На этом этапе Вселенная расширилась вневероятное количество раз (возможно, в 1050), и расширениеэто было вызвано неизвестными до сих пор причинами; про-странство расширялось со скоростью, астрономически боль-шей, чем скорость света. Температура была 1032 градусов.
3.10-34 секунды — конец инфляции.
Температура упала до 1027 градусов, когда сильное взаимо-действие отделилось от двух других сил. (Группа симметрииТВО распалась на SU(3)xSU(2)xU(l).) Инфляционный пе-риод завершился, дав Вселенной возможность идти по путистандартного расширения Фридмана. Вселенная состояла изгорячего плазменного «супа» свободных кварков, глюонов илептонов. Свободные кварки превратились в нынешние про-тоны и нейтроны. Наша Вселенная была еще довольно малень-кой, размером всего лишь с сегодняшнюю Солнечную систему.Вещество и антивещество аннигилировались, но существовалкрошечный перевес вещества над антивеществом (1 мил-лиардная доля), в результате которого возникла вся материявокруг нас. (Это энергетический диапазон, который, как мынадеемся, будет дублирован в течение нескольких следующихлет ускорителем частиц — Большим адронным коллайдером(the Large Hadron Collider).)
4.3 минуты — образование ядер.
Температуры упали достаточно низко для образования ядер,которые теперь не разрывало сильным жаром. Водород син-
тезировался в гелий (создав сегодняшнее соотношение: 75 %водорода к 25 % гелия). Образовались ничтожные количествалития, но синтез более тяжелых элементов прекратился, по-тому что ядра с 5 частицами были слишком неустойчивы.Вселенная была непрозрачной, свет рассеивался свободнымиэлектронами. Этот момент отмечает конец первозданногоогненного шара.
5.380 ООО лет — возникновение атомов.
Температура упала до 3000 градусов по Кельвину. Атомы фор-мировались электронами, окружающими ядра, которые не раз-рывало жаром. Фотоны теперь могли свободно передвигаться,не будучи поглощенными. Это и есть то самое излучение, кото-рое было измерено спутниками СОВЕ и WMAP. Вселенная,когда-то непрозрачная и наполненная плазмой, стала прозрач-ной. Небо вместо белого стало черным.
6.1 млрд лет —- звезды отвердевают.
Температура упала до 18 градусов. Начали формироватьсяквазары, галактики и галактические скопления," в большинствесвоем представляющие побочный продукт многочисленныхкрошечных волн в первоначальном облаке пламени. В звездахначали «печься» легкие элементы, такие, как углерод, кисло-род и азот. Взрывающиеся звезды извергали в небеса элементыс атомным весом выше железа. Это самая отдаленная эпоха,которую мы можем исследовать с помощью космическоготелескопа Хаббла.
7.6,5 млрд лет — расширение де Ситтера.
Расширение Фридмана завершается, и Вселенная постепенноускоряет свое расширение и входит в фазу ускорения, котораяназывается расширением де Ситтера, вызванным загадочнойантигравитационной силой, природа которой не раскрыта идо сегодняшнего дня.
8.13,7 млрд лет — сегодня.
Настоящее. Температура упала до 2,7 градуса. Мы наблюдаемсегодняшнюю Вселенную, состоящую из галактик, звезд ипланет. Расширение Вселенной продолжает стремительноускоряться.
Будущее
Хотя сегодня инфляционная теория способна объяснить столькозагадок Вселенной, это еще не служит доказательством того, чтоона верна. (Кроме того, недавно были предложены конкурирующиетеории, как мы увидим в главе 7.) Данные, касающиеся сверхновыхзвезд, предстоит еще проверять и проверять, принимая во вниманиетакие факторы, как пыль и аномалии, возникающие при образованиисверхновых. «Дымящимся пистолетом» (то есть последней, явнойуликой), который окончательно подтвердит или опровергнет инфля-ционный сценарий, являются «гравитационные волны», возникшиев момент Большого Взрыва. Подобно микроволновому фону, эти гра-витационные волны должны по-прежнему отражаться во Вселеннойи, по сути, могут быть обнаружены при помощи детекторов гра-витационных волн, как мы расскажем в главе 9. Теория инфляциисодержит некоторые предположения относительно природы этихгравитационных волн, и детекторы должны обнаружить их.
Но один из наиболее интригующих прогнозов теории инфляциине может быть проверен прямым путем. Этот прогноз — существо-вание в Мультивселенной «дочерних вселенных», которые живутпо несколько иным физическим законам. Чтобы осознать все, чтовлечет за собой факт возможного существования Мультивселенной,необходимо прежде всего понять, что теория инфляции полностьюукладывается в причудливые уравнения Эйнштейна и квантовойтеории. Согласно теории Эйнштейна, существование многочислен-ных вселенных является возможным, а по квантовой теории у насдаже есть средства для передвижения между ними. И в рамках новойМ-теории мы можем обрести новую, окончательную теорию, кото-рая поможет раз и навсегда решить вопрос о параллельных вселен-ных и путешествии во времени.
ЧАСТЬ II
МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ
ГЛАВА 5
Порталы в другие измеренияи путешествие во времени
В недрах каждой коллапсирующей черной дыры могут таиться семена новой расширяющейся Вселенной.
Сэр Мартин Рис
Черные дыры могут стать проходами в какое угодно время. Если бы нам пришлось прыгнуть в черную дыру, то предполагается, что мы бы появились в другой части Вселенной и в другой временной эпохе... Черные дыры могут быть вратами в Страны Чудес. Но есть ли там Алисы и белые кролики?
Карл Саган
О
бщая теория относительности подобна троянскому коню.Внешне теория великолепна. Сделав несколько простых допу-щений, можно получить основные характеристики космоса, включаяискривление звездного света и сам Большой Взрыв, которые былиизмерены с поразительной точностью. Даже теорию инфляции мож-но подогнать к решению, вписав подобранную космологическуюконстанту в уравнения юной Вселенной. Эти решения дают нам убе-дительнейшую теорию возникновения и смерти Вселенной.
Однако внутри троянского коня мы находим притаившихсядемонов и гоблинов, в том числе черные дыры, белые дыры, про-
странственно-временные туннели и даже машины времени, которыенаходятся за пределами здравого смысла. Эти аномалии считаютсянастолько странными, что даже сам Эйнштейн отрицал возможностьих обнаружения в природе. В течение многих лет он напряженноборолся с этими странными решениями. Сегодня мы знаем, что этианомалии нельзя просто так сбрасывать со счетов. Они — неотъем-лемая часть общей теории относительности. И, по сути, могут дажедать шанс на спасение любому разумному созданию, столкнувшемусяс угрозой Большого Охлаждения.
Но самой странной из этих аномалий, скорее всего, являетсявозможность существования параллельных вселенных и врат, их со-единяющих. Если мы вспомним шекспировскую метафору о том, чтовесь мир — сцена, то тогда можно сказать, что общая теория отно-сительности допускает возможность существования люков на сцене.Но мы видим, что вместо того, чтобы вести в подвальный этаж, люкиведут на параллельные сцены, подобные нашей. Представьте себесцену жизни, состоящую из многоярусных сцен, одна поверх другой.На каждой сцене актеры читают свои роли и передвигаются средидекораций, считая, что их сцена — единственная, и не задумываясьо возможности существования других реальностей. Однако еслиоднажды они случайно провалятся в люк, то обнаружат себя на со-вершенно новой сцене с новыми законами, новыми правилами игрыи новым сценарием.
Но если может существовать бесконечное множество вселенных,то получается, что жизнь возможна в любой из этих вселенных в со-ответствии с иными физическими законами? Это тот самый вопрос,который Айзек Азимов поставил в своей классическом научно-фан-тастическом романе «Сами Боги», где создал параллельную вселен-ную с ядерным взаимодействием, отличным от нашего. Возникаютзахватывающие возможности, когда отменяются обычные законыфизики и вводятся новые.
История Азимова начинается в 2070 году, когда ученый ФредерикХэллем обращает внимание на то, что обычный вольфрам-186странным образом превращается в загадочный плутоний-186, у ко-торого слишком много протонов и который поэтому должен бытьнеустойчив. Хэллем выдвигает теорию, гласящую, что этот странныйплутоний-186 появляется из параллельной Вселенной, где ядерное
взаимодействие намного сильнее и поэтому оно преодолевает от-талкивание протонов. Поскольку этот странный плутоний-186 вы-деляет большие количества энергии в виде электронов, его можноиспользовать для получения дешевой энергии неслыханных объемов.Это позволяет создать знаменитый электронный насос Хэллема, ко-торый решает проблему энергетического кризиса на Земле и делаетХэллема богатым человеком. Но за это нужно заплатить свою цену.Если определенное количество чужого плутония-186 будет привне-сено в нашу Вселенную, то возрастет сила ядерного взаимодействияв целом. Это означает, что в результате процесса синтеза будет высво-бождаться все больше энергии, Солнце станет светить все ярче и вконце концов взорвется, уничтожив при этом Солнечную систему!
А тем временем обитатели параллельной вселенной строят совсемдругие планы. Их вселенная умирает. Ядерное взаимодействие в ихвселенной довольно сильно, а это значит, что звездам очень быстропотребуется водород и они скоро погибнут. Инопланетяне организу-ют обмен: бесполезный плутоний-186 отсылается в нашу Вселеннуюв обмен на бесценный вольфрам-186, который позволяет создатьпозитронный насос, спасающий их умирающий мир. Хотя они по-нимают, что ядерное взаимодействие усилится в нашей Вселенной ииз-за этого взорвутся наши звезды, но их это не волнует.
Кажется, что Земля обречена на катастрофу. Человечествопристрастилось к «энергии Хэллема» и отказывается верить, чтоСолнце вскоре взорвется. Еще один ученый находит гениальноерешение этой головоломки. Он убежден в существовании парал-лельных вселенных. Он успешно модифицирует мощный ускорительчастиц для создания дыры в пространстве, которая соединит нашуВселенную со многими другими. Он ищет и наконец находит срединих одну параллельную вселенную, которая совершенно пуста, еслине считать «космического яйца», содержащего неограниченные ко-личества энергии, но с более слабым ядерным взаимодействием.
При помощи перекачивания энергии из этого космического яйцаученому удается создать новый энергетический насос и в то же времяослабить ядерное взаимодействие в нашей собственной Вселенной,что предотвращает надвигающийся взрыв Солнца. Однако и такоерешение событий имеет свою цену: в параллельной вселенной силаядерного взаимодействия возрастет, что приведет к взрыву этой па-
раллельной вселенной. Но ученый рассуждает следующим образом:взрыв лишь даст возможность этому яйцу « вылупиться», что вызоветновый Большой Взрыв. По сути, он понимает, что станет акушером,принимающим роды новой расширяющейся вселенной.
Научно-фантастический роман Азимова — один из немногих, гдеиспользуются действующие законы физики для «раскрутки» исто-рии о жадности, интригах и спасении. Азимов был прав, предполагая,что изменение силы взаимодействий в нашей Вселенной имело бы ка-тастрофические последствия, что звезды в нашей Вселенной стали быгореть ярче, а затем взорвались бы, если бы ядерное взаимодействиеусилилось. Это поднимает неизбежный вопрос: согласуются ли зако-ны параллельных вселенных с нашими законами физики? А если этотак, то что необходимо для того, чтобы попасть в одну из них?
Чтобы сообразить, о чем идет речь, прежде всего необходимопонять природу пространственно-временных туннелей, отрицатель-ной энергии и, конечно, природу загадочных объектов, называемыхчерными дырами.
Черные дыры
В 1783 году британский астроном Джон Мичелл впервые задалсявопросом, что же произойдет, если звезда увеличится настолько,что ее не сможет «покинуть» даже свет. Ему было известно, что укаждого объекта есть «скорость убегания», то есть та скорость, ко-торая необходима, чтобы преодолеть гравитационное притяжение.(Например, для Земли «скорость убегания» составляет 40 ООО км/ч,это та скорость, которую должна развить ракета, чтобы преодолетьдействие гравитации Земли.)
Мичелл заинтересовался тем, что же случится, если звезда станетнастолько массивной, что ее «скорость убегания» сравняется соскоростью света. Ее гравитация будет настолько неимоверной, чтоничто не сможет освободиться от ее силы притяжения, даже свет, апотому сам объект будет казаться наблюдателю из внешнего мираабсолютно черным. Обнаружить такой объект в космосе в каком-тосмысле невозможно, поскольку он невидим.
О «темных звездах» Мичелла не вспоминали полтора столетия.Вопрос снова всплыл в 1916 году, когда Карл Шварцшильд, немец-
кий физик, работавший на армию и находившийся тогда на русском фронте, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для массив-ной звезды. Даже в наши дни решение Шварцшильда известно какодно из простейших, изящнейших и точных решений уравненийЭйнштейна. Эйнштейн был изумлен, узнав, что Шварцшильду уда- ;лось найти решение сложных тензорных уравнений, прячась от ар-тиллерийских снарядов. Он был еще больше удивлен, обнаружив, чторешение Шварцшильда имело свои особые свойства.
На первый взгляд, оно было справедливо для гравитации обычнойзвезды, и Эйнштейн быстро использовал решение для вычислениягравитации Солнца и проверки своих ранних расчетов, в которыхдопускал приближения. Он всю жизнь был благодарен Шварцшильдуза это. Но в своей второй работе Шварцшильд доказал, что оченьмассивную звезду окружает воображаемая «магическая сфера»,обладающая странными свойствами. Эта «магическая сфера» яв-ляется критической точкой, откуда уже вернуться нельзя. Любогопроникшего сквозь эту «магическую сферу» немедленно засосалобы гравитацией в звезду и никто бы больше никогда его не увидел.« Даже свет был бы полностью поглощен, если бы прошел сквозь этусферу. Шварцшильд не знал того, что заново открыл «темную звез-ду» Мичелла с помощью уравнений Эйнштейна.
Затем он вычислил радиус этой «магической сферы» (называе-мый радиусом Шварцшильда). Для объекта размером с наше Солнцерадиус «магической сферы» равнялся примерно трем километрам.(Для Земли радиус Шварцшильда равняется приблизительно 1 см.)Это означало, что, если Солнце сжать до трех километров, оно пре-вратилось бы в «темную звезду» и пожирало бы любой объект, пере-секающий критическую «точку невозвращения».
Экспериментальным путем доказать существование «магиче-ской сферы» не представлялось возможным: кто возьмется сжиматьСолнце? Не существует никаких известных нам механизмов, способ-ных создать такую фантастическую звезду. Но с точки зрения теорииэто было полной катастрофой. Хотя общая теория относительностиЭйнштейна могла принести блестящие результаты, такие, как искрив-ление звездного света вокруг Солнца, но эта теория не имела никако-го смысла при приближении к «магической сфере», где гравитациявозрастала бесконечно.
Голландский физик Иоганнес Дросте доказал позже, что решениебыло еще более сумасшедшим. Он утверждал, что, согласно теорииотносительности, лучи света значительно искривлялись, приближа-ясь к объекту подобного рода. По сути, на расстоянии в 1,5 радиусаШварцшильдалучи света начинали путешествовать по орбите вокругзвезды. Дросте показал, что искривления времени, обнаруженныев общей теории относительности, применительно к таким массив-ным звездам были намного больше, чем те, которые обнаруживаласпециальная теория относительности. Он также утверждал, что есливы приближаетесь к «магической сфере», то наблюдатель, находя-щийся далеко от вас, рассчитал бы, что ваши часы идут все медленнееи медленнее, и так до тех пор, пока они не остановились бы вовсе, вмомент, когда вы ударитесь о сам объект. По сути, наблюдатель извнешнего мира уверился бы в том, что вы застыли во времени в тотмомент, когда достигли «магической сферы». Поскольку само времяостановилось бы в этой точке, некоторые физики посчитали, чтосуществование такого странного объекта в природе невозможно.Математик Герман Вейль подлил еще больше масла в огонь — оноткрыл, что если исследовать мир внутри «магической сферы», то,видимо, с другой стороны ее находится другая вселенная.
Все это звучало настолько фантастично, что даже Эйнштейнне мог в это поверить. На конференции в Париже в 1922 годуматематик Жак Адамар спросил Эйнштейна, что бы произошло,если бы эта «сингулярность» существовала на самом деле, то естьесли бы гравитация становилась бесконечной в пределах радиусаШварцшильда. Эйнштейн ответил: «Это стало бы настоящей ката-строфой для нашей теории; было бы очень сложно сказать a priori,что произошло бы с физической точки зрения, потому что формулабольше не действовала бы». Позднее Эйнштейн назвал эту пробле-му «катастрофой Адамара». Но он посчитал, что вся эта полемикапо поводу «темных звезд» имеет исключительно умозрительныйхарактер. Во-первых, никто никогда не видел столь причудливогообъекта, и вполне возможно, что «темных звезд» не существует,то есть их существование невозможно с физической точки зрения.Более того, если бы кому-то довелось упасть на одну из них, то он быразбился насмерть. А поскольку никто никогда не смог бы пройтисквозь «магическую сферу» (поскольку время в этот момент оста-
навливалось бы), то никто никогда не смог бы войти и в эту парал-лельную вселенную.
В 1920-е годы физики были здорово сбиты с толку в этом вопросе.Но в 1932 г. Жорж Леметр, отец теории Большого Взрыва, совершилзначительный прорыв. Он доказал, что «магическая сфера» была во-все не сингулярностью, где гравитация стремилась к бесконечности;это была просто математическая иллюзия, вызванная неудачным вы-бором математического обоснования. (Если выбрать другой наборкоординат или переменных для изучения «магической сферы», тосингулярность исчезнет.)
Отталкиваясь от этого, космолог X. П. Робертсон еще раз изучилпервоначальные утверждения Дросте, что время останавливается наповерхности «магической сферы». Он обнаружил, что время оста-навливается только с точки зрения наблюдателя, следящего за тем, какракета пересекает «магическую сферу». С точки же зрения самойракеты понадобилась бы доля секунды, чтобы гравитация засосала еевнутрь «магической сферы». Иными словами, корабль, прошедшийк своему несчастью, сквозь магическую сферу, разбился бы практиче-ски мгновенно, но стороннему наблюдателю показалось бы, что этотпроцесс занял тысячи лет.
Это было важным открытием. Это означало, что «магическойсферы» достичь можно, а также то, что не нужно было сбрасывать еесо счетов как математическое уродство. Необходимо было серьезноизучить вопрос, что же могло случиться с объемом при прохожде-нии через магическую сферу. Физики рассчитали, на что могло быбыть похоже путешествие сквозь «магическую сферу». (Сегодня«магическую сферу» называют «горизонтом событий». Слово«горизонт» обозначает самую далекую точку, которую мы можемувидеть. В данном же контексте оно относится к самой далекой точ-ке, которой может достичь свет. Радиус этого «горизонта событий»и называется радиусом Шварцшильда.)
Приближаясь в ракете к черной дыре, вы бы увидели свет, захва-ченный в плен черной дырой миллиарды лет назад, когда сама чернаядыра еще только образовалась. Иными словами, перед вашими глаза-ми развернулась бы вся история этой черной дыры. При приближе-нии приливные силы разорвали бы на части атомы, составляющиеваше тело, и в конце концов даже сами ядра атомов напоминали бы
спагетти. Путешествие за горизонт событий стало бы путешествиемв один конец, поскольку сила тяготения была бы настолько велика,что вас неизбежно засосало бы к самому центру, где бы вы разбилисьнасмерть. Оказавшись за пределами «горизонта событий», вернуть-ся назад было бы уже невозможно. (Чтобы выбраться из-за горизонтасобытий, понадобилось бы развить скорость, большую, чем скоростьсвета, что невозможно.)
В 1939 году Эйнштейн написал работу, в которой попыталсяоспорить существование «темных звезд», утверждая, что они немогли бы образоваться естественным путем. Он начал с предполо-жения, что звезда образуется из кружащегося скопления пыли, газаи звездных обломков, вращающихся по окружности и постепеннопритягивающихся друг к другу благодаря силе гравитации. Затем онпоказал, что такое скопление кружащихся частиц никогда не сколлап-сирует до радиуса Шварцшильда, а потому никогда не превратится вчерную дыру В лучшем случае эта вращающаяся масса частиц достиг-ла бы величины в 1,5 радиуса Шварцшильда, а потому образованиечерной дыры практически невозможно. (Чтобы пересечь предел в1,5 радиуса Шварцшильда, пришлось бы опять же развить скоростьвыше скорости света.) «Основным результатом данного исследо-вания является ясное понимание того, почему «сингулярностейШварцшильда» в физической реальности не существует», —- писалЭйнштейн.
У Артура Эддингтона также были свои глубокие соображениянасчет черных дыр, он всю жизнь сомневался в их существовании.Однажды он сказал, что должен существовать «закон Природы, что-бы не дать звезде вести себя столь странно».
По иронии судьбы, в том же году Дж. Роберт Оппенгеймер (кото-рый позднее создал атомную бомбу) и его студент Хартленд Снайдердоказали, что черная дыра и в самом деле могла образоваться, ноиным путем. Вместо того чтобы предположить, что черная дырапоявилась из вращающегося скопления частиц, сжимающегося подвоздействием сил гравитации, они в качестве точки отсчета взялистарую массивную звезду, которая сожгла все свое ядерное топливои взрывается вовнутрь под действием силы гравитации. К примеру,умирающая звезда массой в 40 солнечных масс могла бы израсходо-вать ядерное топливо и сжаться под действием силы гравитации до
радиуса Шварцшильда в 130 км; в этом случае она бы неизбежносколлапсировала в черную дыру. Оппенгеймер и Снайдер предпо-ложили, что существование черных дыр не просто возможно, онимогли бы быть естественной конечной точкой эволюции миллиардовумирающих в галактике звезд-гигантов. (Возможно, именно идеявзрыва вовнутрь, предложенная в 1939 году Оппенгеймером, всегочерез несколько лет вдохновила его на создание механизма внутрен-него взрыва, использующегося в атомной бомбе.)
Мост Эйнштейна-Розена
Хотя Эйнштейн считал, что черные дыры — явление слишком неве-роятное и в природе существовать не могут, позднее, такова ирониясудьбы, он показал, что они еще более причудливы, чем кто-либо могпредположить. Эйнштейн объяснил возможность существованияпространственно-временных «порталов» в недрах черных дыр.Физики называют эти порталы червоточинами, поскольку, подобночервю, вгрызающемуся в землю, они создают более короткий альтер-нативный путь между двумя точками. Эти порталы также называютиногда порталами или «вратами» в другие измерения. Как их ниназови, когда-нибудь они могут стать средством путешествий междуразличными измерениями, но это случай крайний.
Первым, кто популяризовал идею порталов, стал Чарльз Доджсон,который писал под псевдонимом Льюис Кэрролл. В «Алисе вЗазеркалье» он представил портал в виде зеркала, которое соеди-няло пригород Оксфорда и Страну Чудес. Поскольку Доджсон былматематиком и преподавал в Оксфорде, ему было известно об этихмногосвязных пространствах. По определению, многосвязное про-странство таково, что лассо в нем нельзя стянуть до размеров точки.Обычно любую петлю можно безо всякого труда стянуть в точку. Ноесли мы рассмотрим, например, пончик, вокруг которого намотанолассо, то увидим, что лассо будет стягивать этот пончик. Когда мыначнем медленно затягивать петлю, то увидим, что ее нельзя сжать доразмеров точки; в лучшем случае, ее можно стянуть до окружностисжатого пончика, то есть до окружности «дырки».
Математики наслаждались тем фактом, что им удалось обнару-жить объект, который был совершенно бесполезен при описании
пространства. Но в 1935 году Эйнштейн и его студент Натан Розенпредставили физическому миру теорию порталов. Они попыта-лись использовать решение проблемы черной дыры как модель дляэлементарных частиц. Самому Эйнштейну никогда не нравиласьвосходящая ко временам Ньютона теория, что гравитация частицыстремится к бесконечности при приближении к ней. Эйнштейн счи-тал, что эта сингулярность должна быть искоренена, потому что в нейнет никакого смысла.
У Эйнштейна и Розена появилась оригинальная идея представитьэлектрон (который обычно считался крошечной точкой, не имеющейструктуры) как черную дыру. Таким образом, можно было использо-вать общую теорию относительности для объяснения загадок кван-тового мира в объединенной теории поля. Они начали с решениядля стандартной черной дыры, которая напоминает большую вазу сдлинным горлышком. Затем они отрезали «горлышко» и соединилиего с еще одним частным решением уравнений для черной дыры,то есть с вазой, которая была перевернута вверх дном. По мнениюЭйнштейна, эта причудливая, но уравновешенная конфигурациябыла бы свободна от сингулярности в происхождении черной дырыи могла бы действовать как электрон.
К несчастью, идея Эйнштейна о представлении электрона § каче-стве черной дыры провалилась. Но сегодня космологи предполагают,что мост Эйнштейна-Розена может служить «вратами» между двумявселенными. Мы можем свободно передвигаться по Вселенной дотех пор, пока случайно не упадем в черную дыру, где нас немедленнопротащит сквозь портал и мы появимся на другой стороне (пройдясквозь «белую» дыру).
Для Эйнштейна любое решение его уравнений, если оно начи-налось с физически вероятной точки отсчета, должно было соот-носиться с физически вероятным объектом. Но он не беспокоилсяо том, кто свалится в черную дыру и попадет в параллельную все-ленную. Приливные силы бесконечно возросли бы в центре, и гра-витационное поле немедленно разорвало бы на части атомы любогообъекта, который имел несчастье свалиться в черную дыру. (МостЭйнштейна-Розена действительно открывается за доли секунды, ноон закрывается настолько быстро, что ни один объект не сможетпройти его с такой скоростью, чтобы достичь другой стороны.) По
мнению Эйнштейна, хотя существование порталов и возможно, жи-вое существо никогда не сможет пройти сквозь какой-либо из них ирассказать о своих переживаниях во время этого путешествия.


Мост Эйнштейна-Розена. В центре черной дыры находится «горлышко », которое соединяется с пространством-временем другой вселенной или другой точкой в нашей Вселенной. Хотя путешествие сквозь стационарную черную дыру имело бы фатальные последствия, вращающиеся черные дыры обладают кольцеобразной сингулярностью, которая позволила бы пройти сквозь кольцо и мост Эйнштейна-Розена, хотя это находится еще на стадии предположений.
Вращающиеся черные дыры
Однако в 1963 году взгляд на вещи стал меняться, когда математикиз Новой Зеландии Рой Керр нашел точное решение уравненийЭйнштейна, описывающее, возможно, наиболее реалистично уми-рающую звезду, вращающуюся черную дыру. Из-за сохранения кине-тического импульса, когда звезда коллапсирует под действием силыгравитации, она начинает вращаться еще быстрее. (Это та же причи-на, по которой вращающиеся галактики выглядят подобно флюгерам,и именно поэтому фигуристы вращаются быстрее, когда прижимаютруки к телу.) Вращающаяся звезда могла бы взорваться, образовавкольцо нейтронов, которое осталось бы устойчивым из-за большойцентробежной силы, толкающей их «наружу» и уравновешивающейдействие силы гравитации. Такая черная дыра обладала бы удиви-тельным свойством: если бы вы упали в керровскую черную дыру,то вы бы не разбились насмерть. Наоборот, вас бы протянуло сквозьмост Эйнштейна-Розена в параллельную вселенную. «Проходишьсквозь это волшебное кольцо и — престо! — ты в совершенно инойвселенной, где радиус и масса отрицательны!» — обращаясь к колле-ге, воскликнул Керр, обнаруживший это решение.
Иными словами, оправа зеркала Алисы была похожа на вра-щающееся кольцо Керра. Но любое путешествие сквозь Керровокольцо было бы путешествием без возврата. Если бы вы пересекли«горизонт событий», окружающий кольцо Керра, гравитация былабы не настолько сильна, чтобы раздавить вас, но ее будет вполнедостаточно, чтобы помешать вам вернуться из-за «горизонта собы-тий». (В черной дыре Керра, по сути, есть два горизонта событий.Некоторые считают, что для обратного путешествия может понадо-биться второе кольцо Керра, соединяющее параллельную вселеннуюс нашей.) В каком-то смысле черную дыру Керра можно сравнить слифтом в небоскребе. Лифт представляет мост Эйнштейна-Розена,который соединяет различные этажи, только каждый этаж — этоотдельная Вселенная. По сути, в этом небоскребе бесконечное ко-личество этажей, и каждый из них отличается от других. Но лифтникогда не сможет уехать вниз. В нем есть только кнопка «вверх».Уехав с вашего этажа-вселенной, вернуться назад вы уже не сможете,поскольку пересечете «горизонт событий».
Мнения физиков по поводу того, насколько устойчиво кольцоКерра, разделились. Согласно некоторым расчетам, если попытатьсяпройти сквозь кольцо, то само присутствие человека дестабилизиру-ет черную дыру и проход закроется. Например, если бы луч света упалв черную дыру Керра, он бы присоединил к себе невероятное коли-чество энергии, падая к центру, и приобрел голубое смещение — тоесть его частота и энергия возросли бы. При приближении к «го-ризонту событий» он уже будет обладать столь большой энергией,что убьет любого, кто попытается пройти сквозь мост Эйнштейна-Розена. Кроме того, луч создает свое собственное гравитационноеполе, которое вступило бы во взаимодействие с первоначальнойчерной дырой, что, возможно, стало бы причиной закрытия прохода.
Иными словами, в то время, как одни физики считают, что чернаядыра Керра — самая реалистичная из всех черных дыр и действи-тельно может контактировать с параллельными вселенными, оста-ется невыясненным, насколько безопасно будет прохождение черезэтот мост, а также то, насколько устойчив будет проход.
Наблюдение за черными дырами
Из-за странных свойств черных дыр их существование еще в 1990-егоды считалось научной фантастикой. «Если бы 10 лет назад вамдовелось обнаружить объект, который вы посчитали бы черной ды-рой в центре галактики, то половина ученого мира решила бы, чтовы немножко сбрендили», — заметил астроном Дуглас Ричстоуниз Мичиганского университета в 1998 году. С тех пор астрономыобнаружили в открытом космосе несколько сот черных дыр при по-мощи космического телескопа Хаббла, Космической рентгеновскойобсерватории «Чандра» (измеряющей рентгеновское излучениемощных звездных и галактических источников), а также радио-телескопом в Нью-Мехико — «Очень большой решеткой» (VeryLarge Array — VLA), состоящей из серии мощных антенн. Многиеастрономы считают, что, по сути, в центре большинства космическихгалактик (которые имеют утолщение, или балдж, в центре своих дис-ков) находятся черные дыры.
Как и предвиделось, все обнаруженные в космосе черные дырыстремительно вращаются; некоторые вращаются со скоростью око-
ло 1,6 млн км/ч, как было вычислено при помощи космического теле-скопа Хаббла. В самом центре можно наблюдать плоское округлоеядро, размеры которого зачастую составляют около светового года впоперечнике. Внутри этого ядра находится горизонт событий и самачерная дыра.
Поскольку черные дыры невидимы, для их обнаружения астро-номы вынуждены пользоваться методами непрямого наблюдения.На фотографиях они пытаются найти «аккреционный диск» вра-щающегося газа, окружающего черную дыру. Сегодня астрономысобрали коллекцию прекрасных фотографий аккреционных дисков.(Такие диски обнаружены почти везде у наиболее стремительно вра-щающихся объектов во Вселенной. Даже у нашего Солнца навернякабыл такой диск, когда оно возникло 4,5 млрд лет назад, но он сконден-сировался, образовав планеты. Причиной образования таких дисковявляется то, что они представляют состояние наименьшей энергиидля таких стремительно вращающихся объектов.) Применяя законыдвижения Ньютона, астрономы могут вычислять массу центрально-го объекта, зная скорость звезд, вращающихся вокруг него. Если мас-са центрального объекта настолько велика, что скорость «убегания»для этого объекта равняется скорости света, то даже сам свет не мо-жет «убежать», предоставляя тем самым косвенное доказательствосуществования черной дыры.
«Горизонт событий» находится в самом центре аккреционногодиска (к сожалению, он слишком мал, чтобы заметить его при помо-щи современных приборов. Астроном Фульвио Мелиа утверждает,что заснять на пленку «горизонт событий» для науки о черных ды-рах — все равно что найти Святой Грааль). Не весь газ, двигающийсяпо направлению к черной дыре, проходит «горизонт событий».Часть его проходит мимо «горизонта событий» и с огромной ско-ростью выбрасывается в космос, образуя две длинные газовые струи,извергающиеся из южного и северного полюсов черной дыры. Этоделает черную дыру похожей на вертящийся волчок. (Причина, покоторой струи газа извергаются именно таким образом, возможно,состоит в том, что линии магнитного поля коллапсирующей звезды,по мере того как поле становится все более напряженным, концен-трируются над северным и южным полюсами. По мере того как звез-да продолжает сжиматься, эти магнитные линии конденсируются в
два пучка, исходящие из северного и южного полюсов. Когда иони-зированные частицы падают в коллапсирующую звезду, они следуютпо силовым линиям и извергаются как струи через магнитные поляюжного и северного полюсов.)
Пока обнаружено два типа черных дыр. Первый тип — черныедыры звездных масштабов. При образовании таких дыр гравитацияразрушает умирающую звезду и та взрывается вовнутрь. Черныедыры второго типа обнаружить намного легче. У них галактическиемасштабы, они таятся в самом центре огромных галактик и квазаров,и их масса составляет от миллионов до миллиардов солнечных масс.
Недавно было окончательно установлено существование чер-ной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь. К несчастью,пылевые облака закрывают от нас центр галактики; если бы не они,то каждую ночь с Земли мы бы наблюдали огромный огненный шарв созвездии Стрельца. Если бы не было этой пыли, то центр нашейГалактики Млечный Путь наверняка затмил бы Луну и был бы самымярким объектом ночного неба. В самом центре этого галактическогоядра находится черная дыра массой примерно в 2,5 млн солнечныхмасс. Что касается ее радиуса, то он составляет около 0,1 радиусаорбиты Меркурия. По галактическим меркам это не самая массив-ная черная дыра; в квазарах могут быть черные дыры в несколькомиллиардов солнечных масс. Черная дыра на нашем «заднем дворе»в настоящее время довольно статична.
Следующая по близости к нам галактическая черная дыра нахо-дится в центре галактики Андромеды, самой близкой к Земле галак-тики. Эта черная дыра составляет 30 миллионов солнечных масс, аее радиус Шварцшильда — около 96 млн км. (В центре галактикиАндромеды находятся, по меньшей мере, два массивных объекта,видимо представляющие собой остатки прежней галактики, погло-щенной галактикой Андромеды миллиарды лет назад. Если ГалактикаМлечный Путь в конце концов через миллиарды лет столкнется сгалактикой Андромеды, что представляется весьма вероятным, то,возможно, наша Галактика закончит свой «жизненный» путь в «же-лудке» галактики Андромеды.)
Одной из самых восхитительных фотографий галактическойчерной дыры является фотография галактики NGC 4261, сделаннаяпри помощи космического телескопа Хаббла. На прежних фотогра-
фиях этой галактики, полученных при помощи радиотелескопа, ясновидно, как две струи грациозно извергаются из северного и южногополюсов галактики, но никто не знал, что приводит этот механизмв действие. Телескоп Хаббла сфотографировал самый центр этойгалактики, продемонстрировав нам прекрасно различимый дискразмером около 400 световых лет в поперечнике. В самом его центренаходится крошечная точка, содержащая в себе аккреционный дискразмером около светового года в диаметре. Черная дыра в его центре,которую нельзя наблюдать при помощи телескопа Хаббла, весит при-близительно 1,2 млрд солнечных масс.
Галактические черные дыры, подобные этой, так энергетиче-ски мощны, что могут поглощать целые звезды. В 2004 г. НАСА иЕвропейское Космическое Агентство заявили, что стали свидетеля-ми того, как огромная черная дыра в далекой галактике одним махом«проглотила» звезду. Космическая рентгеновская обсерватория«Чандра» и европейский спутник «ХММ-Ньютон» наблюдалиодно и то же событие: вспышку рентгеновских лучей, испускаемуюгалактикой RXJ1242-11, это говорило о том, что черная дыра в цен-тре галактики поглотила звезду. Масса этой черной дыры оценива-ется в 100 миллионов солнечных масс. Расчеты показали, что, когдазвезда подходит опасно близко к «горизонту событий», невероят-ная сила гравитации деформирует и растягивает звезду настолько,что та разрывается на части, испуская обнаруживающую ее вспышкурентгеновских лучей. «Эту звезду растянуло больше, чем допускалпредел ее прочности. Несчастная звезда просто забрела не в теокрестности», — заметила астроном Стефани Комосса из институ-та Макса Планка в Гархинге (Германия).
Факт существования черных дыр помог решить массу давнихзагадок. Например, галактика М87 всегда была для астрономов ди-ковиной, поскольку выглядела как массивный шар из звезд, из кото-рого выглядывал странный «хвост». Поскольку этот шар испускалсильное излучение, в какой-то момент астрономы посчитали, чтоэто представляет собой струю антивещества. Но сегодня астрономыобнаружили, что существование хвоста обусловлено огромной чер-ной дырой, массой, возможно, 3 миллиарда солнечных масс. А этотстранный хвост сегодня считается гигантской струей плазмы, неустремленной внутрь галактики, а вылетающей из нее.
Одно из наиболее впечатляющих открытий в области черныхдыр произошло в тот момент, когда Космическая рентгеновскаяобсерватория «Чандра» сквозь небольшой прорыв в пылевых об-'лаках смогла увидеть открытый космос и наблюдать там скоплениечерных дыр на границе видимой Вселенной. Было зафиксировано600 черных дыр. Исходя из этого наблюдения, астрономы предпо-лагают, что на небе существует, по меньшей мере, 300 миллионовчерных дыр.
Гамма-барстеры
Возраст упомянутых выше черных дыр составляет, возможно, мил-лиарды лет. Но сегодня астрономам предоставляется редкая воз-можность наблюдать собственными глазами, как образуются черныедыры Некоторыми из них, похоже, являются загадочные источникивсплесков гамма-излучения, испускающие больше всего энергии вовсей Вселенной. По количеству выбрасываемой энергии они уступа-ют только интенсивности Большого Взрыва.
У этих источников гамма-всплесков очень интересная исто-рия, уходящая во времена холодной войны. В конце 1960-х годовСоединенные Штаты весьма обеспокоил тот факт, что СоветскийСоюз или какая-либо другая держава в обход существующих согла-шений могут тайно взорвать ядерную бомбу на пустынном участкеЗемли или даже на Луне. Поэтому Соединенные Штаты запустилиспутник «Вела», специально предназначенный для отслеживания«ядерных вспышек», или несанкционированных взрывов ядерныхбомб. Поскольку ядерный взрыв разворачивается в несколько эта-пов, микросекунда за микросекундой, каждая ядерная вспышка даетхарактерную двойную вспышку света, которую можно заметить соспутника. (Спутник «Вела» действительно уловил две такие ядер-ные вспышки в 1970-е годы недалеко от побережья острова ПринцаЭдуарда в Южной Африке в присутствии израильских военныхкораблей. В ЦРУ до сих пор ведутся споры по поводу зафиксирован-ных сигналов.)
Однако Пентагон поразило то, что спутник «Вела» принимал сиг-налы гигантских ядерных взрывов в космосе. Может быть, СоветскийСоюз тайно взрывал водородные бомбы в открытом космосе, ис-
пользуя неизвестные передовые технологии? Озабоченность тем,что Советский Союз, возможно, существенно обогнал СоединенныеШтаты в вопросах разработки ядерного оружия, заставила СШАпривлечь к анализу природы этих тревожных сигналов лучших уче-ных мира.
После распада Советского Союза больше не нужно было класси-фицировать эту информацию, и Пентагон «выбросил» целые горыданных в астрономический ученый мир. Впервые за десятилетиябыло открыто совершенно новое астрономическое явление неверо-ятной силы и масштаба. Астрономы быстро уяснили, что мощностьэтих гамма-всплесков (их назвали гамма-барстерами) была простофантастической: за несколько секунд испускалось такое же количе-ство энергии, как наше Солнце испустило за всю свою жизнь (около10 млрд лет). Но эти вспышки были весьма скоротечны: с тех пор, каких уловил спутник «Вела», они настолько потускнели, что, когда в ихсторону направили наземные телескопы, разглядеть что-либо былоуже невозможно. (Большинство вспышек длится от 1 до 10 секунд,самая короткая длилась 0,01 секунды, но некоторые продолжались инесколько минут.)
Сегодня космические телескопы, компьютеры и команды бы-строго реагирования изменили наши возможности в обнаружениигамма-барстеров. Всплески гамма-лучей улавливаются по 3 раза надню, и каждый из них приводит в действие сложную систему. Кактолько спутник регистрирует выброс энергии и всплеск гамма-лучей,астрономы при помощи компьютеров быстро определяют точныекоординаты всплеска и направляют на него телескопы и сенсоры.
Данные, полученные при помощи этих новейших приборов,принесли поистине ошеломляющие результаты. В сердце гамма-барстеров обязательно находится некий объект, не очень большой,зачастую всего лишь в несколько десятков километров в попереч-нике. Другими словами, невероятная космическая энергия гамма-барстеров сконцентрирована на территории размером, скажем, сНью-Йорк. Долгие годы считалось, что причиной таких вспышек,вероятнее всего, служили столкновения нейтронных звезд в двойнойзвездной системе. Согласно этой теории с течением времени орбитанейтронных звезд искажалась и они двигались по смертельной спи-рали, пока в конце концов не сталкивались, в результате чего проис-
ходил выброс гигантского количества энергии. Такие события чрез-вычайно редки, но поскольку Вселенная очень велика, а эти вспышкиосвещают всю Вселенную, то они должны быть видны несколько разв день.
Но в 2003 году собранные учеными новые факты позволили пред-положить, что вспышки гамма-лучей представляют собой результатвзрыва «гиперновой», что создает массивную черную дыру. Быстрофокусируя телескопы и спутники в направлении вспышек гамма-лучей, ученые обнаружили, что они похожи на массивные «сверх-новые». Поскольку взрывающаяся звезда создает магнитное поленевероятной силы и выбрасывает излучение через свои северный июжный полюса, может показаться, что «сверхновая» более активна,чем на самом деле: мы можем наблюдать эти вспышки только в томслучае, когда они направлены прямо к Земле, а это создает ложноевпечатление мощности, большей чем в реальности.
Если гамма-барстеры — это действительно черные дыры в про-цессе образования, то следующее поколение космических телескоповдолжно позволить нам изучать этот процесс в подробностях и, воз-можно, ответить на некоторые из глобальных вопросов о времени ипространстве. В частности, если черные дыры могут закручивать про-странство в кренделя, то могут ли они искривлять также и время?
Машина времени Ван Стокума
Теория Эйнштейна объединяет пространство и время в одно нераз-рывное целое. В результате любой портал, соединяющий две точкипространства, может также соединять два момента времени. Инымисловами, теория Эйнштейна допускает возможность путешествия вовремени.
Сам концепт времени развивался на протяжении веков. ДляНьютона время было похоже на стрелу; будучи выпущенной, она ужене меняла своей траектории полета и четко и равномерно двигаласьк цели. Затем Эйнштейн предложил концепт искривленного про-странства, а время стало больше похоже на реку, которая вилась поВселенной, то ускоряя, то замедляя свой бег. Но Эйнштейна беспоко-ила опасность того, что река времени может замкнуться сама на себе.Возможно, в реке времени существовали водовороты и рукава.
В 1937 году эту опасность заметили физики, когда В. Дж. ВанСтокум нашел решение уравнений Эйнштейна, которые делали воз-можным путешествие во времени. Он начал с бесконечно длинноговращающегося цилиндра. Хотя физически невозможно построитьобъект с бесконечными размерами, он рассчитал, что если бы такойцилиндр вращался со скоростью, близкой к скорости света, он быувлекал материю пространства-времени с собой, подобно тому какпатока увлекается лопастями миксера. (Этот «эффект скручивания»(frame-dragging) также известен как «захват системы отсчета» и былэкспериментально обнаружен на подробных фотографиях вращаю-щихся черных дыр.)
Любого храбреца, отважившегося пройти мимо цилиндра, засо-сало бы внутрь с фантастической скоростью. При этом стороннемунаблюдателю казалось бы, что тот человек превысил скорость света.Хотя сам Ван Стокум тогда так и не понял, что, облетев вокруг ци-линдра, по сути, можно вернуться назад во времени, в момент, пред-шествующий моменту отлета. Если вы отбыли в полдень, то к томувремени, как вы вернетесь в точку отсчета, может быть, скажем, 6 ча-сов вчерашнего дня. Чем быстрее вращение цилиндра, тем дальше выможете унестись назад во времени (при этом единственным ограни-чением будет то, что вы не смогли бы попасть в момент времени досоздания самого цилиндра).
Поскольку сам цилиндр похож на майское дерево (украшенныйцветами столб, вокруг которого танцуют в майские праздники вАнглии), то каждый раз, когда вы в танце проносились мимо него, вывсе дальше и дальше уходили во времени в прошлое. Конечно же, та-кое решение может быть с легкостью отброшено, поскольку цилиндрвсе-таки не может быть бесконечно длинным. Кроме того, если бытакой цилиндр все же можно было построить, то центробежная сила,действующая на него, была бы невероятно велика, что стало бы при-чиной разрушения материала, из которого сделан цилиндр.
Вселенная Гёделя
В 1949 году великий математик и логик Курт Гёдель обнаружил ещеболее сложное решение уравнений Эйнштейна. Он предположил,что Вселенная вращается вся целиком. Подобно случаю с вращаю-
щимся цилиндром Ван Стокума, все увлекается пространством-вре-менем, тягучим, словно патока.
Во вселенной Гёделя человек, в принципе, может путешествоватьмежду двумя любыми точками пространства или времени. Вы можетестать участником любого события, происшедшего в любой периодвремени, вне зависимости от того, насколько далеко он отстоит от на-стоящего. Из-за действия гравитации вселенная Гёделя имеет тенден-цию к коллапсу. Поэтому центробежная сила вращения должна сба-лансировать гравитационную силу. Иными словами, Вселенная долж-на вращаться с определенной скоростью. Чем больше Вселенная, тембольше ее тенденция к коллапсу и тем быстрее она должна вращатьсядля его предотвращения.
К примеру, Вселенная нашего размера по Гёделю должна была бысовершать один полный оборот за 70 миллиардов лет, а минималь-ный радиус для путешествия во времени составлял бы 16 миллиардовсветовых лет. Однако путешествуя во времени в прошлое, вы должныдвигаться со скоростью чуть ниже скорости света.
Гёделю было прекрасно известно о парадоксах, которые могливозникнуть из такого решения, — возможность встретить самогосебя в прошлом и изменить ход истории. «Совершая «кругосвет-ное» путешествие на ракете по достаточно длинному маршруту, вэтих мирах возможно путешествовать в любой момент прошлого,настоящего и будущего, а потом снова возвращаться обратно, также,как в других мирах возможно путешествовать в отдаленные областипространства, — писал он. — Такое положение дел, кажется, несетв себе элемент абсурда. Ибо оно позволяет человеку путешество-вать в не очень отдаленное прошлое тех мест, где он сам жил когда-то.Там он обнаружил бы человека, который был бы им самим в болееранний период его же жизни. И тогда он смог бы сделать что-нибудьс этим человеком, чего, по его воспоминаниям, с ним самим не про-исходило».
Эйнштейн был глубоко обеспокоен решением, найденнымего другом и коллегой по Институту передовых исследований вПринстоне. Его ответ был достаточно прозрачен:'
Работа Курта Гёделя, на мой взгляд, представляет собой важный вклад в общую теорию относительности, особенно в анализ
концепта времени. Проблема, рассмотренная в работе, беспокои-ла меня еще во время создания общей теории относительности, ия так и не достиг успеха в ее разрешении... Различие «раньше-поз-же» стирается при рассмотрении точек Вселенной, отстоящихдалеко друг от друга в космологическом смысле, а при учете на-правления причинных связей возникают те парадоксы, о которыхговорит господин Гёдель... Будет интересно разобраться, можноли отбросить их по причине недостаточного физического обо-снования.
Ответ Эйнштейна интересен по двум причинам. Во-первых, онпризнал, что возможность путешествий во времени беспокоила егос того самого момента, когда он впервые сформулировал общуютеорию относительности. Поскольку считается, что время и про-странство похожи на кусок резины, который может сгибаться и ис-кривляться, Эйнштейна обеспокоило то, что пространство-времяможет искривиться настолько, что путешествие во времени станетвозможно. Во-вторых, он исключил решение Гёделя по причине не-достаточного «физического обоснования», — то есть Вселенная невращается, она расширяется.
Когда Эйнштейн умер, стало известно, что его уравнения допу-скали существование странных явлений (путешествий во времени,порталов). Но никто о них серьезно не задумывался — ведь ученыесчитали, что эти явления не могут быть реализованы. Всеобщеемнение гласило: для этих решений не существует основы в реальноммире. Вы бы погибли, если бы попытались попасть в параллельнуювселенную через черную дыру; Вселенная не вращается; цилиндрбесконечной длины изготовить нельзя, — все это придавало вопро-су о путешествиях во времени чисто теоретический характер.
Машина времени Торна
О путешествиях во времени забыли на целых 35 лет до 1985 года,когда астроном Карл Саган написал роман «Контакт» и захотелописать, как его героиня смогла бы попасть на Бегу. Ему требовалосьпутешествие в оба конца, то есть чтобы героиня сначала попала наБегу, а потом снова вернулась на Землю, — ас помощью порталов
черных дыр это было невозможно. Саган обратился за помощью кфизику Кипу Торну. Торн потряс мир физики новыми решениямиуравнений Эйнштейна, которые допускали путешествие во временив обход многих проблем. В 1988 году вместе с коллегами, МайкломМоррисом и Ульви Юртсивером, Торн объявил, что машину време-ни сконструировать возможно при условии, что каким-то образомбудут получены странные формы вещества и энергии, такие, как «эк-зотическое отрицательное вещество» и «отрицательная энергия».Сначала физики скептически отнеслись к этому новому решению,поскольку никто никогда не видел этого «экзотического вещества»,а отрицательная энергия существует только в малых количествах. Новсе же это решение являло собой прорыв в нашем понимании путе-шествия во времени.
Большим преимуществом отрицательного вещества и отри-цательной энергии является то, что они могут сделать портал дву-сторонним и вы сможете совершить путешествие в оба конца, небеспокоясь о «горизонтах событий». По сути, группа Торна обнару-жила, что путешествие с помощью машины времени было бы вполнемягким по сравнению со стрессом, который человек испытывает,путешествуя коммерческими авиарейсами.
Однако проблема в том, что «экзотическое вещество» (оно же«отрицательное») обладает весьма удивительными качествами. В от-личие от антивещества (которое, как известно, существует и, вероят-нее всего, под воздействием гравитационного поля падает на Землю),отрицательное вещество «падает вверх», так что оно будет парить,всплывать вверх под воздействием земной гравитации, посколькуобладает антигравитацией. Оно отталкивается, а не притягиваетсяобычным веществом и другим отрицательным веществом. Это такжеозначает, что его довольно трудно обнаружить в природе, если оновообще существует. С тех пор как Земля образовалась 4,5 млрд летназад, любое отрицательное вещество уплыло бы далеко в космос.Так что, возможно, отрицательное вещество плавает в космосе вда-ли от всех планет. (Отрицательное вещество, возможно, никогда нестолкнется с пролетающей мимо звездой или планетой, посколькуоно отталкивается обычным веществом.)
Если отрицательное вещество никто никогда не видел (и вполневозможно, что его вообще не существует), существование от-
рицательной энергии физически возможно, но встречается оначрезвычайно редко. В 1933 году Хенрик Казимир доказал, чтодве незаряженные параллельные металлические пластины могутсоздавать отрицательную энергию. Обычно ожидается, что двепластинки остаются стационарными, поскольку не имеют заряда.Однако Казимир показал, что между этими двумя незаряженнымипараллельными пластинками существует очень слабая сила при-тяжения. В 1948 году эта незначительная сила действительно былаизмерена, что доказало реальную возможность существованияотрицательной энергии. Эффект Казимира использует довольнонеобычное свойство вакуума. Согласно квантовой теории, пу-стое пространство заполнено «виртуальными частицами», и этовозможно благодаря принципу неопределенности Гейзенберга,который допускает, что исконные классические законы могут бытьнарушены, если эти нарушения кратковременны. Например, благо-даря принципу неопределенности существует некоторая вероят-ность того, что электрон и позитрон могут возникнуть из ничего, азатем аннигилировать друг друга. Поскольку параллельные пласти-ны находятся очень близко друг к другу, эти виртуальные частицыне могут свободно попасть в пространство между пластинами.Таким образом, поскольку вокруг пластин находится гораздо боль-ше частиц, чем между ними, это создает силу, направленную извне,которая слегка подталкивает пластины друг к другу. Этот эффектбыл точно измерен в 1996 году Стивеном Ламоро из Национальнойлаборатории Лос-Аламос. Измеренная им сила притяжения ока-залась крошечной (равной весу 1 /30000 такого насекомого, какмуравей). Чем меньше расстояние между пластинами, тем большесила притяжения.
Итак, в этом заключается возможный принцип работы машинывремени, выдуманной Торном. Высокоразвитая цивилизация моглабы начать с двух параллельных пластин, находящихся на крайне маломрасстоянии друг от друга. Затем эти параллельные пластины были быпреобразованы в сферу, состоящую из внешней и внутренней обо-лочек. Затем они взяли бы две такие сферы и каким-либо способомпротянули бы портал-червоточину между ними, таким образом этисферы оказались бы соединены пространственным туннелем. Теперькаждая из сфер содержала бы вход в портал.
Обычно течение времени синхронно в обеих сферах. Но если мыпоместим одну из сфер в ракету и запустим ее, сообщив ей скорость,близкую к световой, то для этой ракеты время замедлит свой ход, идве сферы больше не будут синхронизированы во времени. Часы вракете идут намного медленнее, чем на Земле. Если затем прыгнутьв сферу на Земле, то через портал, соединяющий сферы, можнопопасть в другую ракету, которая находится в прошлом. (Однако,опять-таки, эта машина времени не может перенести вас во время,предшествующее созданию самой машины.)
Проблемы отрицательной энергии
Несмотря на то что, объявив о найденном решении уравненийЭйнштейна, Торн произвел настоящую сенсацию, реализация егоидей затруднялась некоторыми серьезными препятствиями, труд-ноустранимыми даже в условиях высокоразвитой цивилизации.Для начала необходимо было получить большие количества от-рицательной энергии, а она встречается довольно редко. Действиепортала такого типа зависит от наличия большого количества от-рицательной энергии, которая не дает порталу закрыться. Если по-лучать отрицательную энергию, как это описал Казимир, действиеее довольно слабое и размер портала будет намного меньше атома,что делает нереальным путешествие через этот портал. Существуюти другие источники отрицательной энергии, кроме описанногоэффекта Казимира, но все их довольно сложно контролировать.Например, физики Пол Дейвис и Стивен Фуллинг показали, чтосоздание отрицательной энергии возможно с помощью быстроперемещаемого зеркала, при этом отрицательная энергия аккумули-руется перед зеркалом по мере его передвижения. К сожалению, дляполучения отрицательной энергии зеркало придется перемещать соскоростью, близкой к скорости света. Кроме того, как и в случае сэффектом Казимира, количество полученной отрицательной энер-гии чрезвычайно мало.
Еще один способ получения отрицательной энергии связан сиспользованием высокомощных лазерных лучей. Среди энерге-тических состояний лазера наличествуют «сжатые состояния», вкоторых сосуществуют положительная и отрицательная энергии.
Однако это взаимодействие тоже довольно трудно контролиро-вать. Стандартный импульс отрицательной энергии может длиться10-15 секунды, после чего за ним следует импульс положительнойэнергии. Отделить состояния положительной энергии от состоянийотрицательной энергии возможно, хотя и чрезвычайно трудно. Болееподробно я буду говорить об этом в главе 11.
И наконец, оказывается, отрицательная энергия содержится и вчерной дыре — у ее «горизонта событий». Как доказали ДжейкобБекенштейн и Стивен Хокинг(5), черная дыра не является идеальночерной, поскольку она пусть медленно, но испускает энергию. Этопроисходит потому, что принцип неопределенности делает возмож-ным туннелирование излучения сквозь невероятную гравитациючерной дыры. Но поскольку такая черная дыра теряет энергию, современем «горизонт событий» сужается. Обычно, если положи-тельное вещество (например, звезду) бросить в черную дыру, то«горизонт событий» расширяется. Но если мы сбросим в чернуюдыру отрицательное вещество, то «горизонт событий» сузится.Таким образом, испускание энергии черной дырой создает отрица-тельную энергию возле «горизонта событий». (Некоторые ученыевыдвигали идею поместить устье портала-червоточины рядом с«горизонтом событий», чтобы он собирал отрицательную энергию.Однако собирать отрицательную энергию подобным образом былобы крайне сложно и опасно, поскольку вам все время пришлось бынаходиться чрезвычайно близко к «горизонту событий».)
Хокинг доказал, что отрицательная энергия в целом необходимадля стабилизации всех решений для порталов. Ход его рассужденийдовольно прост. Обычно положительная энергия может создать входв портал-червоточину, который концентрирует вещество и энергию.Таким образом, лучи света фокусируются в устье портала. Однако,если эти же лучи света появятся с другой стороны, то где-то в цен-тре портала-червоточины лучи света должны расфокусироваться.Единственным возможным объяснением такого варианта событийявляется наличие отрицательной энергии. Далее, отрицательнаяэнергия отталкивает, что необходимо для предотвращения сжатияпортала под воздействием силы гравитации. Поэтому ключом ксозданию машины времени или портала может быть достаточное ко-личество отрицательной энергии — чтобы устье-вход портала было
открыто и находилось в устойчивом состоянии. (Многие ученые-физики уже обнаружили, что при наличии сильных гравитационныхполей поля отрицательной энергии — явление обычное.) Так что,возможно, когда-нибудь гравитационную отрицательную энергиюсмогут использовать для управления машиной времени.
Еще одним препятствием, не позволяющим создать такую ма-шину времени, является следующее: где найти портал-червоточину?Торн опирался на тот факт, что порталы-червоточины создаютсяестественным путем в том, что называют «пеной» пространства-времени. Это возвращает нас к вопросу, который поставил более2000 лет назад греческий философ Зенон: каково наименьшее рас-стояние, которое можно пройти?
Зенон когда-то математически доказал, что реку пересечь невоз-можно. Сначала он заметил, что расстояние между берегами рекиможно разделить на бесконечное количество точек. Но посколькудля того, чтобы пройти бесконечное множество точек, понадобитсябесконечное количество времени, то реку пересечь невозможно.Или, если на то пошло, ничто вообще не может двигаться. (Для раз-решения этой головоломки понадобятся еще два тысячелетия и со-ответствующее развитие вычислительной науки. Можно доказать,что бесконечное множество точек можно пройти за конечное коли-чество времени, что, в конце концов, делает движение математическивозможным.)
Джон Уилер из Принстона проанализировал уравнения Эйнште-йна с целью найти наименьшее расстояние. Уилер обнаружил, что наневероятно малых расстояниях, порядка длины Планка (10"см),теория Эйнштейна предсказывала, что искривление пространствабудет достаточно велико. Иными словами, при длине Планка про-является то обстоятельство, что пространство совсем не гладкое, асильно искривленное, то есть его характеризуют неоднородность и«пенистость». Пространство становится комковатым и буквальнобурлит; при этом крошечные пузырьки выпрыгивают из вакуумаи снова исчезают в нем. Даже пустое пространство, если его рас-сматривать в таком масштабе, постоянно заполнено мельчайшимипузырьками пространства-времени, которые, по сути, представляютсобой крошечные порталы-червоточины и вселенные-малютки.Обычно « виртуальные частицы состоят из электронных и позитрон-
ных пар, которые появляются, чтобы тут же аннигилировать другдруга. Но при длине Планка крошечные пузырьки, представляющиесобой целые вселенные и порталы, могут возникать только для того,чтобы тут же раствориться в вакууме. Наша собственная Вселеннаямогла зародиться в виде одного из таких крошечных пузырьков, по-качивающихся в «пене» пространства-времени, который потом раз-дулся по неизвестным нам причинам.
Поскольку порталы-червоточины в естественном состоянииможно обнаружить в «пене», Торн предположил, что высокораз-витая цивилизация сможет извлечь эти порталы из «пены», а затемрасширить их и стабилизировать с помощью отрицательной энер-гии. Хотя это достаточно сложный процесс, но он лежит в пределахвозможностей, определяемых законами физики.
Машина времени Торна кажется теоретически возможной, хотя, сточки зрения технологии, сконструировать ее чрезвычайно сложно;но существует еще один нерешенный вопрос: противоречат ли путе-шествия во времени фундаментальному закону физики?
Вселенная у вас в спальне
В 1992 году Стивен Хокинг попытался разрешить вопрос о путеше-ствиях во времени раз и навсегда. Инстинктивно он был против пу-тешествий во времени; ведь если бы путешествия сквозь время былитаким же обычным явлением, как и воскресные пикники, то тогдамы должны были бы видеть туристов из далекого будущего, которыеглазели бы на нас и фотографировали.
Но физики часто приводят цитату из эпического романа Т. X. Уай-та «Король былого и грядущего», где муравьиное общество заяв-ляет: «Все, что не запрещено, обязательно к исполнению». Инымисловами, если нет основополагающего физического принципа, за-прещающего путешествия во времени, то они непременно являютсяфизически возможными. (Причиной тому есть принцип неопреде-ленности. Если только что-либо не запрещено, то квантовые взаи-модействия и флуктуации в конце концов сделают это возможнымпри условии достаточно долгого ожидания.) В ответ Стивен Хокингпредложил «гипотезу защиты хронологии», которая запрещает пу-тешествия во времени и тем самым «сохраняет историю для истори-
ков». Согласно этой гипотезе, путешествия во времени невозможны,поскольку противоречат частным физическим принципам.
Поскольку с решениями для порталов-червоточин работатьчрезвычайно трудно, Хокинг начал свое доказательство с анали-за упрощенной Вселенной, открытой Чарльзом Мизнером изМэрилендского университета: в ней наличествовали все составля-ющие, необходимые для путешествий во времени. ПространствоМизнера — это идеализированное пространство, в котором, на-пример, ваша спальня становится целой Вселенной. Пусть каждаяточка на левой стене спальни идентична соответствующей точке направой стене. Это означает, что если вы пойдете по направлению клевой стене и не остановитесь вовремя, то вы не разобьете себе нос вкровь, а пройдете сквозь стену и возникнете вновь из правой стены.Это означает, что в каком-то смысле левая и правая стены соединеныцилиндрически.
Кроме того, точки на передней стене дома идентичны точкам назадней стене, а точки на потолке идентичны точкам пола. Таким об-разом, идя в любом направлении, вы пройдете сквозь одну из стенспальни и снова вернетесь в нее. Вы не можете выйти из нее. Инымисловами, ваша спальня поистине является целой Вселенной!
Далее, вглядевшись в левую или правую стену, вы увидите, что она,по сути, прозрачна и на другой стороне этой стены находится точ-ная копия вашей спальни. В этой другой спальне стоит ваш точныйклон, хотя вы и можете увидеть только его спину, но никогда — лицо.Если вы посмотрите вверх или вниз, то также увидите точные копиисамого себя. По сути, существует бесконечная последовательностьточных копий вас самих, стоящих спереди, сзади, внизу и над вами.
Вступить в контакт с самим собой довольно трудно. Каждый раз,когда вы поворачиваете голову, чтобы взглянуть на лица клонов, выобнаруживаете, что они тоже отворачиваются, и поэтому вы никакне можете увидеть их лица. Но если спальня достаточно маленькая,то вы можете просунуть руку сквозь стену и схватить за плечо клона,стоящего перед стеной. Вас может повергнуть в шок то, что клон сза-ди вас также протянул руку и схватил вас за плечо. Точно так же вы мо-жете вытянуть руки направо и налево, схватив клонов, стоящих слеваи справа, и тогда образуется бесконечная последовательность вассамих, держащихся за руки. В сущности, вы протянулись через всю

В пространстве Мизнера Вселенная заключена в вашей спальне. Противоположные стены идентичны друг другу, а потому, пройдя сквозь одну стену, вы тут же появитесь из противоположной. Точно так же и потолок идентичен полу. Пространство Мизнера часто изучают по той причине, что его топология идентична топологии портала-червоточины, но с ним намного легче иметь дело в математическом отношении. Если стены двигаются, то во Вселенной Мизнера путешествия во времени, возможно, допустимы.
Вселенную, чтобы схватить за плечо самого себя. (Не рекомендуетсянаносить вред своим клонам. Если вы возьмете пистолет и направи-те его на клона впереди вас, то вам, возможно, стоит пересмотретьсвою позицию и не нажимать на курок, потому что клон сзади такжецелится в вас!)
Представьте, что в пространстве Мизнера стены вокруг вас сжи-маются. Ситуация становится интересной. Допустим, что спальнясжимается и правая стена медленно движется по направлению к вамсо скоростью 3 км/ч. Если теперь вы пройдете сквозь левую стену, тоснова появитесь из правой движущейся стены, но уже приобрететедополнительную скорость, равную 3 км/ч, сообщенную вам стеной,так что теперь вы будете двигаться со скоростью 6 километров в час.По сути, каждый раз, как вы совершаете полный проход, вам сооб-щается дополнительная скорость, равная 3 км/ч. После повторенияпутешествий вокруг Вселенной вы двигаетесь со скоростью 9, потом12,15 км/ч — до тех пор, пока не достигнете невероятной скорости,близкой к световой.
В определенной критической точке вы двигаетесь в этой Все-ленной Мизнера настолько быстро, что начинаете путешествие вовремени назад- По сути, вы можете посетить любую предыдущуюточку пространства-времени. Хокинг тщательно изучил простран-ство Мизнера. Он обнаружил, что с математической точки зренияправая и левая стены почти идентичны двум устьям-входам порта-ла-червоточины. Иными словами, ваша спальня и есть портал, гдеправая и левая стены одинаковы и являются идентичными устьями-входами портала.
Затем он отметил тот факт, что пространство Мизнера неустой-чиво с точки зрения как классической, так и квантовой механики.К примеру, если вы направите луч фонарика на левую стену, то лучбудет набирать энергию каждый раз, появляясь из правой стены.Этот луч приобретет голубое смещение — то есть будет содержатьвсе больше энергии, до тех пор, пока она не станет бесконечной, а этоуже невозможно. Или же луч фонаря приобретет такое количествоэнергии, что создаст свое собственное невероятно сильное грави-тационное поле, которое сожмет спальню/портал. Таким образом,портал сожмется, если вы попытаетесь пройти сквозь него. Такжеможно доказать, что нечто, называемое тензором энергии-импульса,который измеряет энергетическое и вещественное содержимое про-странства, станет бесконечным, поскольку излучение может пройтисквозь эти две стены бесконечное количество раз.
Хокинг таким образом нанес завершающий смертельный удар поидее путешествий во времени — многочисленные эффекты излуче-
ния накладывались до тех пор, пока не начинали стремиться к бес-конечности, создавая отклонения, губя путешественника во времении закрывая портал.
В своих работах Хокинг поднял вопрос об отклонениях, что вы-звало оживленную дискуссию в физической литературе. Ученыеразделились — «за» и «против» принципа защиты хронологии. Посути, несколько физиков бросились искать бреши в доказательствеХокинга, выбирая подходящие значения для порталов, изменяя ихпараметры — длину и прочее. Они обнаружили, что в некоторыхрешениях для порталов тензор энергии-импульса действительно от-клонялся, нов остальных решениях он был четко определен. Русскийфизик Сергей Красников рассмотрел вопрос отклонений в связи сразличными типами порталов и сделал вывод, что «нет ни крупицыдоказательств такого предположения, что машина времени должнабыть нестабильна».
Научная мысль так далеко отступила от выводов Хокинга, чтофизик из Принстона Ли-Синь Ли даже выдвинул гипотезу анти-хронологической защиты: «Не существует такого закона физики,который бы препятствовал появлению замыкающихся временныхпетель».
В 1998 году Хокинг был вынужден в некотором роде пойти науступку. Он написал: «Тот факт, что тензор энергии-импульса невыказывает отклонений [в определенных случаях], доказывает, чтообратная реакция не навязывает нам существования принципа за-щиты хронологии». Это совсем не означает, что путешествие вовремени возможно, это лишь доказывает, что наши познания в этойобласти еще далеко не полны. Физик Мэтью Виссер считает, что про-вал гипотезы Хокинга «вовсе не должен питать надежды энтузиастовпутешествий во времени, а скорее указывает на то, что разрешениевопросов защиты хронологии требует доскональной разработкитеории квантовой гравитации».
Сегодня Хокинг уже не говорит, что путешествия во времени аб-солютно невозможны. Он утверждает лишь, что они очень уж мало-вероятны и трудно осуществимы. Перевес совершенно очевидно нев пользу путешествий во времени. Но тем не менее нельзя полностьюотбрасывать возможность их осуществления. Если бы можно былокаким-либо образом использовать большие количества положитель-
ной и отрицательной энергии, то путешествия во времени и вправдустали бы возможны. (И, возможно, наше время только потому ненаводнили толпы туристов из будущего, что самым отдаленным вре^менем, в которое они могут отправиться, является момент созданиясамой машины времени, а машины времени пока что еще не скон-струированы.)
Машина времени Готта
В 1991 году Дж. Ричард Готт III из Принстона предложил еще однорешение эйнштейновских уравнений, которое допускало путеше-ствия во времени. Его подход был интересен потому, что Готт вы-брал совершенно новое, можно сказать, свеженькое направление,полностью отбросив вращающиеся объекты, порталы-червоточиныи отрицательную энергию.
Готт родился в Луисвилле (штат Кентукки) в 1947 году. В его речидо сих пор слышен мягкий южный акцент, который кажется несколь-ко экзотичным в разреженном, беспорядочном мире теоретическойфизики. Он начал изучать физику еще в детстве, вступив в клуб астро-номов-любителей, где наслаждался видом звездного неба.
В школе Готт выиграл престижный конкурс Вестингауза «Поискинаучных талантов», в котором поныне участвует как председательжюри. Закончив Гарвард со степенью доктора математики, он отпра-вился в Принстон, где работает и по сей день.
Занимаясь исследованиями в области космологии, Готт заинтере-совался «космическими струнами», «остатком» Большого Взрыва,существование которых предсказывается во многих теориях. Косми-ческие струны могут быть тоньше диаметра атомного ядра, но ихмасса может быть сравнима со звездной и они протягиваются впространстве на миллионы световых лет. Готт первым обнаружилрешение уравнений Эйнштейна, допускающее существование кос-мических струн. Но затем он заметил в этих космических струнахнечто необычное. Если взять две космические струны и отправитьих навстречу друг другу, то прямо перед тем, как они столкнутся,их можно использовать в качестве машины времени. Во-вторых, онобнаружил, что если облететь вокруг сталкивающихся космическихструн, то пространство сжимается, что придает ему необычные свой-
ства. Мы знаем, что, если, например, обойти вокруг стола и вернутьсяна место старта, мы совершим оборот (вокруг стола) в 360°. Но еслиракета облетит две космические струны при их прохождении другсквозь друга, то она, по сути, совершит неполный оборот, меньше360°, потому что пространство сжимается. (Это топология конуса.Если мы облетим вокруг конуса, то обнаружим, что совершили не-полный оборот.) Таким образом, стремительно облетев вокруг обе-их струн, вы фактически могли бы превысить скорость света (с точкизрения находящегося в отдалении наблюдателя), поскольку общеерасстояние будет меньшим, чем ожидалось. Однако это не противо-речит специальной теории относительности, поскольку в вашейсобственной системе отсчета скорость ракеты никогда не превыситскорости света.
Но это также означает, что если вы облетите две сталкивающиесякосмические струны, то сможете совершить путешествие в прошлое.Готт вспоминает: «Когда я обнаружил это решение, я чрезвычайновзволновался. В решении использовалось только положительное ве-щество, которое двигалось со скоростью, не превышающей скоростьсвета. Для сравнения: решения, привлекающие порталы, требуютприсутствия более экзотического отрицательно-энергетически-плотного вещества (то есть чего-то, что весит меньше, чем ничего)».
Но количество энергии, необходимое для создания машинывремени, просто невероятно. «Чтобы сделать возможными путе-шествия в прошлое, космические струны массой в 10 триллионовна сантиметр должны двигаться в противоположных направленияхсо скоростями, составляющими, по меньшей мере, 99,999999996 %скорости света. Мы наблюдали во Вселенной протоны высокойэнергии, двигающиеся так же быстро, а потому такие скорости воз-можны», — замечает он.
Некоторые критики указывают на то, что космические струны —явление очень редкое, если они вообще существуют, а столкновениекосмических струн — еще более редко. Поэтому Готт предложилследующее: высокоразвитая цивилизация может обнаружить кос-мическую струну в открытом космосе. Используя гигантские кос-мические корабли и точнейшие приборы огромных размеров, людибудущего могли бы преобразовать эту струну в слегка неправильныйпрямоугольник-петлю (похожий на наклонный стул). По его теории,
эта петля-прямоугольник может коллапсировать под воздействиемсвоей собственной гравитации, так что два прямых отрезка космиче-ской струны могут пролететь друг мимо друга со скоростью, близкойк скорости света, создав тем самым машину времени. И тем не менееГотт признает: «Коллапсирующая петля из космической струны, до-статочно большая для того, чтобы вы смогли облететь вокруг нее иотправиться хотя бы на год назад в прошлое, должна была бы иметьмассу-энергию более половины всей галактики».
Временные парадоксы
Традиционно еще одной причиной, по которой ученые отбрасы-вали идею путешествия во времени, были временные парадоксы.Например, если вы вернетесь назад во времени и убьете своихродителей до момента вашего рождения, то рождение ваше станетневозможным. Так что, для начала, вы никогда не сможете вернутьсяназад во времени и убить своих родителей. Это важно, посколькунаука основывается на логически последовательных идеях; такоговременного парадокса было бы достаточно, чтобы отбросить идею опутешествии во времени.
Эти временные парадоксы разделяются на несколько категорий:Дедушкин парадокс. Согласно этому парадоксу, вы изменяетепрошлое таким образом, что существование настоящего ста-новится невозможным. Например, отправившись в отдаленноепрошлое, чтобы взглянуть на динозавров, вы можете случайнонаступить на маленькое мохнатое существо, которое, возмож-но, было первым предком рода человеческого. Уничтожив сво-его предка, вы делаете собственное существование логическиневозможным.
Информационный парадокс. Согласно этому парадоксу, ин-формация приходит из будущего, а это означает, что у нее нетначала. Например, представим, что какой-то ученый создалмашину времени и отправляется в прошлое, чтобы поведатьсекрет путешествия во времени самому себе в юные годы.У этого секрета не будет начала, поскольку та машина време-ни, которую создаст молодой ученый, не будет изобретена им
самим; секрет ее конструкции будет передан ему его старшимвоплощением.
Парадокс Билкера. Предположим, человек знает, каким будетего будущее, и совершает какой-то поступок, что делает суще-ствование такого будущего невозможным. Например, вы соз-даете машину времени, которая может унести вас в будущее,и обнаруживаете, что вам суждено жениться на женщине поимени Джейн. Однако в пику судьбе вы решаете жениться наженщине по имени Хелен, таким образом делая невозможнымсуществование такого будущего.
Сексуальный парадокс'6'. Согласно этому парадоксу, вы явля-етесь своим собственным отцом, что невозможно биологи-чески. Герой истории, написанной британским философомДжонатаном Гаррисоном, не только является собственнымотцом, но и съедает самое себя. В классическом произведенииРоберта Хайнлайна «Все вы зомби» герой одновременно исобственный отец, и мать, и дочь, и сын — то есть в нем во-площено все фамильное древо. (За подробностями обрати-тесь к примечаниям. Раскрыть тайну сексуального парадоксав действительности довольно сложно, поскольку это требуетзнаний как в области теории путешествий во времени, так и вмеханике ДНК.)
В «Конце вечности» Айзек Азимов рисует в своем воображе-нии «временную полицию», которая отвечает за предотвращениеподобных парадоксов. В фильме «Терминатор» сюжет основан наинформационном парадоксе — ученые изучают микрочип, взятый уробота из далекого будущего, затем они создают целую расу роботов,которые наделены сознанием, и те завоевывают весь мир. Инымисловами, сама конструкция этих роботов не была создана каким-либоизобретателем; она просто взята из обломков одного из роботов да-лекого будущего. В фильме «Назад в будущее» Майкл Дж. Фокс пыта-ется избежать «дедушкиного парадокса», когда возвращается назадво времени и встречается со своей матерью-подростком, которая тутже влюбляется в него. Но если она отвергнет ухаживания отца Фокса,то само существование Майкла будет поставлено под угрозу.
Сценаристы охотно нарушают законы физики, создавая голли-вудские блокбастеры. Но в кругу физиков к таким парадоксам отно-сятся очень серьезно. Любое решение подобных парадоксов должнобыть совместимо с теорией относительности и квантовой теорией.Например, для совмещения с теорией относительности река време-ни должна быть бесконечной. Вы не можете запрудить реку времени.В общей теории относительности время представлено как гладкаяпротяженная поверхность, которую нельзя разорвать и на которой не может образоваться рябь. Топология ее может измениться, нопросто так остановиться река не может. Это означает, что если выубьете своих родителей до момента собственного рождения, то выне исчезнете. Такой вариант развития событий противоречил бы за-конам физики.
В настоящее время физики делятся на две группы, поддержи-вая два возможных решения этих временных парадоксов. Русскийкосмолог Игорь Новиков считает, что мы вынуждены действоватьтаким образом, словно парадоксы неизбежны. Его подход называется«школой непротиворечивости». Если река времени мягко повора-чивает вспять и снова замыкается на самой себе, создавая водоворот,то, согласно предположениям Новикова, если мы решим вернутьсяназад во времени, что было бы чревато созданием временного па-радокса, то некая «невидимая рука» должна вмешаться и предот-вратить прыжок в прошлое. Но в подходе Новикова существуютпроблемы со свободной волей. Если мы вернемся назад во времении встретим своих собственных родителей, то можно подумать, что всвоих действиях мы руководствуемся собственной волей; Новиковсчитает, что еще не открытый закон физики запрещает любое дей-ствие, которое изменило бы будущее (например, такое действие,как убийство собственных родителей или предотвращение фактасобственного рождения). Он отмечает: «Мы не можем отправитьпутешественника во времени в сады Эдема, чтобы попросить Еву нервать яблоко с дерева».
Что же это за загадочная сила, не позволяющая нам изменить про-шлое и создать временной парадокс? «Такое давление на нашу волюнеобычно и загадочно, но все же оно имеет свои параллели, — пишетон. — Например, я могу изъявить волю прогуляться по потолку без
всякого специального снаряжения. Закон гравитации не позволитмне этого сделать; я упаду на пол, если попытаюсь это сделать, а по-тому моя свобода воли ограничена».
Но временные парадоксы могут происходить и тогда, когда не-одушевленное вещество (вовсе не обладающее свободной волей) за-брасывается в прошлое. Предположим, что перед битвой АлександраВеликого с царем персов Дарием III в 330 году до н. э. вы отправляетев прошлое пулеметы с инструкцией на древнеперсидском по их ис-пользованию. Мы бы потенциально изменили всю последующуюевропейскую историю (и, возможно, обнаружили бы, что вместоодного из европейских языков разговариваем на каком-то диалектеперсидского).
По сути, даже мельчайшее вмешательство в прошлое может статьпричиной самых неожиданных парадоксов в настоящем. Например, втеории хаоса используется метафора «эффект бабочки». В критиче-ские моменты формирования климата Земли достаточно малейшеготрепета крыльев бабочки, чтобы пустить по воде рябь, способную на-рушить баланс сил и вызвать грозу страшной силы. Даже мельчайшиенеодушевленные объекты, будучи отправлены в прошлое, неизбежноизменят прошлое самым непредсказуемым образом, что станет при-чиной временного парадокса.
Вторым способом разрешения временного парадокса являетсявариант, при котором река времени мягко разветвляется на две реки,или рукава, образуя две различные Вселенные. Иными словами,если бы вы отправились в прошлое и застрелили своих родителейдо момента собственного рождения, вы бы убили людей, которыегенетически не отличаются от ваших родителей в альтернативнойвселенной, в той, где вы никогда не родитесь. Но ваши родители ввашей родной Вселенной останутся живы.
Вторая гипотеза называется «теорией многих миров»: суть ее втом, что все возможные многочисленные миры могут существоватьодновременно. Это исключает бесконечное количество расхожде-ний, обнаруженное Хокингом^, поскольку излучение не будет разза разом проходить сквозь портал, как в пространстве Мизнера.Если оно и проникнет сквозь портал, то только один раз. Каждыйраз, проходя сквозь портал, оно будет входить в новую вселенную.
И этот парадокс восходит, возможно, к глобальному вопросу кван- |товой теории: как может быть кот и живым, и мертвым в одно и то |же время?
Для ответа на этот вопрос физикам пришлось принять во вни-мание два шокирующих решения: либо Существует КосмическийРазум, следящий за всеми нами, либо существует бесконечное коли-чество квантовых вселенных.
ГЛАВА 6
Параллельные квантовыевселенные
Думаю, не ошибусь, если скажу, что никто не понимает квантовую механику.
Ричард Фейнман
Любой, кто не поражен квантовой теорией, просто ее не понимает.
НильсБор
Двигатель, основанный на принципе Бесконечной Невероятности, - это прекрасный новый способ пересечения огромных межзвездных расстояний за доли секунды без нудного болтания по гиперпространству.
Дуглас Адаме
В
сверхпопулярном эксцентричном научно-фантастическом ро-мане Дугласа Адамса «Автостопом по галактике» герой находиторигинальный способ путешествия к звездам. Вместо использованиячервоточин, гипердорог или порталов в другие измерения для путе-шествия в иные галактики, он решает овладеть принципом неопреде-ленности, чтобы молниеносно преодолевать широты межгалактиче-ского пространства. Если бы мы могли каким-то образом подчинитьсебе вероятность определенных невероятных событий, то стало бывозможным все что угодно, в том числе путешествия со скоростью,превосходящей световую, и даже путешествия во времени. Достичь
далеких звезд за секунды маловероятно, но при условии, что вы мо- жете управлять квантовыми вероятностями по своему усмотрению,даже невозможное может стать делом привычным.
Квантовая теория основана на том, что существует вероятность,что все возможные события могут произойти вне зависимости оттого, насколько они фантастичны или глупы. Это, в свою очередь, ле-жит в основе инфляционной теории — в момент Большого Взрывапроизошел квантовый переход в новое состояние, находясь в кото-ром Вселенная внезапно невероятно расширилась. Видимо, вся нашаВселенная могла зародиться в результате маловероятного квантово-го скачка. Хотя Адаме писал в шутку, мы, физики, понимаем, что еслибы можно было каким-то образом управлять этими вероятностями,то стали бы доступны трюки, неотличимые от волшебства. Но в на-стоящее время изменение вероятностей происхождения событийнаходится далеко за пределами возможностей нашей технологии.
Иногда я даю аспирантам нашего университета задания попроще,например вычислить вероятность того, что они внезапно дематери-ализуются и снова возникнут с другой стороны кирпичной стены.Согласно квантовой теории, существует малая, но исчисляемаявероятность того, что такое может произойти. Или, коли на то по-шло, вероятность того, что мы дематериализуемся у себя в гостинойи попадем на Марс. Согласно квантовой теории, в принципе можновнезапно рематериализоваться на красной планете. Конечно же, этавероятность настолько мала, что нам пришлось бы ждать дольшежизни Вселенной. В результате в нашей повседневной жизни мы от-брасываем вероятность таких событий. Но на субатомном уровнетакие вероятности жизненно необходимы для функционированияэлектроники, компьютеров и лазеров.
По сути, электроны регулярно дематериализуются и рематериа-лизуются на другой стороне стенки в запчастях ваших компьютерови компакт-дисков. В принципе, вся современная цивилизация потер-пела бы крушение, если бы электроны не могли находиться в двух ме-стах одновременно. (Молекулы, из которых состоят наши тела, тожераспались бы, не будь этого причудливого принципа. Представьтесебе столкновение двух солнечных систем в космосе, происходящеесогласно законам гравитации Ньютона. Столкнувшиеся солнечныесистемы распались бы и превратились в кучу хаотически разбро-
санных планет и астероидов. Подобным образом, если бы атомыдействовали в соответствии с законами Ньютона, они бы распада-лись всякий раз, врезаясь в другой атом. Два атома объединяются вмолекулу именно на основе способности электронов одновременнонаходиться в таком огромном количестве мест, что они образуют«электронное облако», которое удерживает атомы вместе. Такимобразом, молекулы устойчивы, а Вселенная не разваливается потому,что электроны могут находиться во многих местах одновременно.)
Но если электроны могут существовать в параллельных со-стояниях, паря на грани существования и небытия, то почему неможет то же самое происходить и со Вселенной? В конце концов,в какой-то момент Вселенная была меньше, чем электрон. Признаввозможность применения квантового принципа ко Вселенной, мывынуждены принять во внимание существование параллельныхвселенных.
Именно эта возможность рассматривается в волнующем научно-фантастическом романе Филиппа Дика «Человек в высоком замке».В книге существует другая вселенная, отделенная от нашей одним-единственным кардинальным событием. В. той вселенной в 1933 годуистория изменяется, когда пуля наемного убийцы убивает прези-дента Рузвельта в первый год после его избрания. Его обязанностиберет на себя вице-президент Гарнер, который проводит политикуизоляционизма, в военном отношении ослабляющую СоединенныеШтаты. Не подготовившись к атаке на Перл-Харбор и так и не опра-вившись после потери всего флота, Соединенные Штаты в 1947 годувынуждены подчиниться немцам и японцам. В конце концов СШАразделили на три части: германский рейх контролировал восточ-ное побережье, японцы — западное побережье, между которыминаходилась тревожная граница — штаты Скалистых Гор. В этойпараллельной вселенной загадочный человек пишет книгу под на-званием «Саранча садится тучей», основанную на цитате из Библии,запрещенной нацистами. В книге говорится о другой вселенной, гдеРузвельта не убивают, а Британия и Соединенные Штаты побеждаютнацистов. Миссия героини заключается в том, чтобы выяснить, естьли правда другая вселенная, где царят свобода и демократия, а не ти-рания и расизм.
Сумеречная зона
Мир «Человека в высоком замке» и наш разделены крошечным не-счастным случаем, одной-единственной пулей, вылетевшей из ружьяубийцы-наемника. Однако возможно также, что параллельный мирможет отделять от нашего ничтожное возможное событие: одно-единственное квантовое событие, воздействие космического луча.
В одном из эпизодов сериала «Сумеречная зона» человек просы-пается и обнаруживает, что жена не узнает его. Она с криком выгоня-ет его, угрожая тем, что вызовет полицию. Бродя по городу, человеквыясняет, что и закадычные друзья также не узнают его, будто бы онникогда и не существовал. В конце концов он заходит в гости к своимродителям; это посещение потрясает его до глубины души. Родителизаявляют, что они видят его впервые и вообще у них никогда не былосына. Оставшись без семьи, друзей и дома, герой бесцельно бродитпо городу и в конце концов, как бездомный, засыпает на скамье впарке. Проснувшись на следующий день, он обнаруживает, что сновалежит в удобной постели рядом со своей женой. Однако, когда женаповорачивается к нему лицом, он с ужасом видит, что это вовсе неего жена, а совершенно незнакомая женщина, которой он никогдапрежде не видел.
Возможны ли такие абсурдные ситуации? Может быть. Если быглавный герой «Сумеречной зоны» задал несколько откровенныхвопросов своей матери, то, возможно, узнал бы, что она перенес-ла выкидыш, а потому у нее действительно никогда не было сына.Иногда один-единственный космический луч, одна-единственнаячастица из открытого космоса может проникнуть глубоко в ДНК эм-бриона и стать причиной мутации, которая в конце концов вызоветвыкидыш. В таком случае одно-единственное квантовое событие мо-жет разделить два мира — тот, где вы живете и являетесь нормальнымполезным гражданином, и еще один, абсолютно идентичный перво-му, где вы так и не были рождены.
Перемещение между этими мирами находится в соответствии сзаконами физики. Но оно чрезвычайно маловероятно; вероятностьтого, что это случится, астрономически мала. Однако, как вы видите,квантовая теория дает нам картину намного более странной вселен-ной, чем та, которую подарил нам Эйнштейн. В теории относитель-
ности сцена жизни, на которой мы играем свои роли, может бытьсделана из резины, и актеры передвигаются между декорациями покривой. Как и в мире Ньютона, актеры в мире Эйнштейна повторяютстрочки своих написанных заранее ролей. Но в «квантовой» пьесеактеры внезапно выбрасывают свои сценарии и начинают игратьпо своей собственной воле. Марионетки обрывают свои нитки.Устанавливается царство свободной воли. Актеры могут исчезатьи снова появляться на сцене. Что еще более странно, они могут об-наружить, что появляются в двух местах одновременно. Произносясвои реплики, актер никогда не может быть уверен, что партнер вне-запно не исчезнет и не появится в другом месте.
Исполинский ум: Джон Уилер
За исключением разве что Эйнштейна и Бора, никто не вел болеегорячей борьбы с нелепостями и успешными моментами кванто-вой теории, чем Джон Уилер. Является ли физическая реальностьвсего лишь иллюзией? Существуют ли параллельные квантовыевселенные? В прошлом, не вдаваясь в подробности этих упрямыхквантовых парадоксов, Уилер применял эти вероятности для кон-струирования атомной и водородной бомб, а также был пионером визучении черных дыр. Джон Уилер был последним из гигантов, или,как когда-то назвал их его студент Ричард Фейнман, «исполинскихумов», который и до сих пор борется с безумными следствиямиквантовой теории.
Именно Уилер предложил термин «черная дыра» в 1967 году вНью-Йорке на конференции в Институте космических исследова-ний им. Годдарда, NASA, после открытия первых пульсаров.
Уилер родился в 1911 году в Джексонвилле (штат Флорида). Егоотец был библиотекарем, но инженерия были в крови у членов семьи.Три его дяди были горными инженерами и в своей работе часто ис-пользовали взрывчатые вещества. Сама идея использования дина-мита глубоко захватила Джона, он обожал наблюдать за взрывами.(Однажды он неосторожно экспериментировал с куском динамита итот случайно взорвался прямо у него в руке, оторвав один палец и фа-лангу другого. По случайному совпадению, когда Эйнштейн учился вшколе, с ним произошел подобный случай: из-за его неосторожности
взрыв произошел прямо у него в руке, и потребовалось наложить не-сколько швов.)
В детстве Уилер был развит не по годам, он овладел основамиматематики и глотал все книги, какие ему только удавалось найти, поновой теории, о которой не переставая говорили его друзья, — кван-товой механике. Прямо на его глазах новая теория переживала своестановление в Европе, ее разработкой занимались Нильс Бор, ВернерГейзенберг и Эрвин Шрёдингер, внезапно раскрьшший секреты ато-ма. Всего лишь несколько лет назад последователи философа ЭрнстаМаха поднимали на смех саму идею существования атомов, утверж-дая, что никогда еще атомы не удавалось наблюдать в лабораторныхусловиях и что вообще они наверняка были всего лишь выдумкой.Чего нельзя увидеть, то и существовать наверняка не может, утверж-дали они. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, заложившийосновы термодинамики, покончил жизнь самоубийством в 1906 годуотчасти из-за постоянных насмешек, с которыми ему приходилосьиметь дело, проводя в жизнь концепцию атомов.
Затем всего за пару лет, с 1925 по 1927 годы, было раскрыто мно-жество секретов атомов. Современная история не знала случаев, что-бы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий про-межуток времени (за исключением работы Эйнштейна в 1905 году).Уилер хотел принять участие в этом перевороте. Но он понимал, чтоСоединенные Штаты оставались за бортом достижений в областифизики: в пределах страны не было ни единого физика мировогомасштаба. Подобно Дж. Роберту Оппенгеймеру до него, Уилер уехализ Соединенных Штатов и отправился в Копенгаген, чтобы учитьсяу самого Маэстро — Нильса Бора.
Эксперименты по изучению электронов показали, что электро-ны действуют и как частицы, и как волны. Секрет этой страннойдвойственности был в конце концов раскрыт квантовыми физиками:совершая свой танец вокруг атома, электрон виделся частицей, ноэту частицу сопровождала загадочная волна. В 1925 году австрий-ский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитоеуравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движениеволны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая гре-ческой буквой ψ, с ошеломительной точностью прогнозировалаповедение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул
пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом эле-ментарном знании, стало возможно вглядеться в атом и вычислить,сколько электронов танцуют на своих орбитах, совершая переходы исоединяя атомы в молекулы.
Квантовый физик Поль Дирак хвастливо пообещал, что фи-зики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил:«Основополагающие физические законы, составляющие математи-ческую базу большей части физики и всей химической науки, уже из-вестны. Единственная трудность состоит в том, что применение этихзаконов приводит к получению слишком сложных и не поддающихсярешению уравнений». Как ни была внушительна эта ψ-функция, досих пор оставалось загадкой, что же именно она представляла.
В конце концов в 1928 году Макс Борн выдвинул идею о том, чтоэта волновая функция представляла вероятность обнаружения элек-трона в любой заданной точке. Иными словами, вы никогда не моглибыть точно уверены, где находится электрон; максимум того, что вымогли сделать, — это вычислить его волновую функцию, котораядавала вероятность его нахождения именно «там». Итак, если атом-ная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахожденияэлектрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог на-ходиться в двух местах одновременно, то как же нам в конце концовопределить, где он действительно находится?
Бор и Гейзенберг в конце концов сформулировали полный наборрецептов в кулинарной книге физики, которые сработали в атомныхэкспериментах с потрясающей точностью. Волновая функция даетинформацию только о вероятности того, что электрон находится«тут» или «там». Если для какой-то точки волновая функция велика,то это означает высокую вероятность того, что электрон находитсяименно там. (Если она мала, то маловероятно, что электрон находит-ся там.) Например, если бы мы могли «видеть» волновую функциючеловека, то она выглядела бы очень похожей на этого человека.Однако волновая функция также плавно распространяется и на кос-мос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человекокажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распростра-няется по всей Вселенной.)
Это также означает, что волновая функция дерева может сооб-щить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает,
но она не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же со-стоянии оно действительно находится. Но здравый смысл говоритнам, что объекты находятся в каком-то определенном состоянии.Когда вы смотрите на дерево, оно определенно находится передвами — либо стоит, либо падает, но не делает и того, и другого одно-временно.
Чтобы разрешить несовпадения между волнами вероятностии представлением о существовании, диктуемым нашим здравымсмыслом, Бор и Гейзенберг предположили, что после измерения,совершенного далеким наблюдателем, волновая функция волшеб-ным образом «коллапсирует» и электрон впадает в определенноесостояние — то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно дей-ствительно стоит. Иными словами, процесс наблюдения определяетконечное состояние электрона. Наблюдение жизненно необходимодля существования. После того как мы взглянем на электрон, еговолновая функция коллапсирует; таким образом, он теперь нахо-дится в определенном состоянии и больше нет нужды в волновыхфункциях.
Итак, постулаты копенгагенской школы Бора можно суммиро-вать приблизительно в следующем виде:
Вся энергия встречается в виде отдельных пучков энергии,называемых квантами. (Например, квантом света являетсяфотон. Кванты слабого взаимодействия называются W- иZ-бозонами, квантом сильного взаимодействия является глю-он, а квант гравитации называется гравитоном, который намеще предстоит увидеть в лабораториях.)
Вещество представлено точечными частицами, но вероят-ность обнаружения этой частицы определяется волной. Самаволна, в свою очередь, подчиняется определенному волновомууравнению (такому, как волновое уравнение Шрёдингера).
Перед наблюдением объект существует во всех возможныхсостояниях одновременно. Чтобы определить, в каком состоя-нии находится объект, нам необходимо провести наблюдение,в результате которого волновая функция «коллапсирует» иобъект входит в определенное состояние. Сам акт наблюденияуничтожает волновую функцию, и объект приобретает реаль-
ную определенность. Волновая функция служит своей цели:она дает нам точную вероятность обнаружения данного объ-екта в конкретном состоянии.
Детерминизм или неопределенность?
Квантовая теория является самой успешной физической теориейвсех времен. Совершенной формулировкой квантовой теорииявляется Стандартная модель, в которой представлены плоды деся-тилетий экспериментов с ускорителями частиц. Некоторые частиэтой теории были проверены с точностью до миллиардных долей.Если включить сюда массу нейтрино, то Стандартная модель соот-ветствует всем экспериментам с субатомными частицами без ис-ключения.
Но независимо от того, насколько успешна квантовая теория,экспериментально она основана на постулатах, вызвавших целуюбурю философских и теологических споров на протяжении по-следних 80 лет. В частности, второй постулат вызвал гнев церкви,поскольку в нем содержится вопрос о том, кто решает наши судьбы.На протяжении веков философов, теологов и ученых волновалобудущее, а также вопрос, возможно ли каким-либо образом узнатьоб ожидающих нас судьбах. В шекспировском «Макбете» Банко,отчаявшись приподнять завесу, скрывающую будущее, произноситпамятные строки:
Когда ваш взор, в посев времен проникнув,
Грядущих всходов зерна различит.
Скажите мне!
(Акт 1, Сцена 3*)
* Перев. С. М. Соловьева.
Шекспир написал эти слова в 1606 году. 80 лет спустя еще одинангличанин, Исаак Ньютон, имел дерзость заявить, что ему известенответ на этот древний вопрос. И Ньютон, и Эйнштейн верили вконцепцию, называемую детерминизмом, которая утверждает, чтовсе грядущие события могут быть определены в принципе. С точкизрения Ньютона, Вселенная представляла собой гигантские часы,
которые Бог завел в начале времен. С тех пор они тикают, подчиняясьтрем законам механики самым предсказуемым образом. Французскийматематик Пьер Симон де Лаплас, который был ученым советникомНаполеона, писал, что, используя законы Ньютона, можно предска-зать будущее с той же точностью, с которой мы рассматриваем нашепрошлое. Он написал, что если бы существо могло знать положение искорость всех частиц во Вселенной, то «для такого интеллекта ничтоне было бы неопределенным и будущее, как и наше прошлое, пред-стало бы перед нашими глазами». Когда Лаплас подарил Наполеонуэкземпляр своего шедевра, «Небесной механики», император за-метил: «Вы написали эту огромную работу о небесах и ни разу неупомянули Бога». Лаплас отвечал: «Сир, у меня не было нужды вэтой гипотезе».
Для Ньютона и Эйнштейна понятие свободной воли, того, что мыхозяева собственной судьбы, было лишь иллюзией. Это банальноепонятие реальности, где конкретные объекты, до которых мы можемдотронуться, реальны и существуют в определенных состояниях,Эйнштейн назвал «объективной реальностью». Он в высшей степе-ни ясно изложил свою позицию в нижеследующем отрывке:
Я детерминист, вынужденный действовать таким образом,будто свободная воля существует, поскольку если я хочу жить вцивилизованном обществе, то мне необходимо действовать соот-ветственно. Я знаю, что с философской точки зрения на убийце нележит ответственность за его преступления, но я бы не стал рас-пивать с ним чай. Мою карьеру определили различные силы, надкоторыми я не властен, в первую очередь те загадочные железы,в которых природа готовит самую сущность жизни. Генри Фордможет назвать это своим Внутренним Голосом, Сократ определилэто как своего демона: каждый человек по-своему объясняет тотфакт, что человеческая воля не свободна... Все определено... сила-ми, над которыми мы не властны... в равной степени для насекомо-го и для звезды. Человеческие существа, овощи или космическаяпыль — все мы танцуем под загадочное время, модулируемое где-то невидимым исполнителем.
Теологи также боролись с этим вопросом. Большинство мировыхрелигий верит в какую-то форму предопределенности, идею о том,
что Бог не только всемогущ и вездесущ, но также всезнающ (ему из-вестно все, даже будущее). В некоторых религиях это означает, чтоБогу известно, отправимся мы в ад или в рай, еще до нашего рожде-ния. По сути, где-то на небесах существует «книга судеб», где пере-числены все наши имена, даты рождения, наши провалы и триумфы,радости и поражения, даже даты смерти и будем ли мы жить в раю илибудем осуждены на вечные муки.
(Этот тонкий теологический вопрос предопределенности ча-стично способствовал расколу католической церкви в 1517 году,когда Мартин Лютер приколол 95 тезисов на дверях церкви в Виттен-берге. В этом документе он критиковал практику продажи церковьюиндульгенций — в сущности, взяток, которые мостили дорогу в райбогатым. Казалось, Лютер говорил, что, возможно, Богу известнонаше будущее наперед и наши судьбы предопределены, но Бога нель-зя убедить поменять свое решение, сделав щедрое пожертвование нанужды церкви.)
Но для физиков, принимающих концепцию неопределен-ности, наиболее противоречивым постулатом является третий,причина головной боли целых поколений физиков и философов.«Наблюдение» — это неопределенный слабовыраженный концепт.Более того, он полагается на тот факт, что в действительности суще-ствуют два типа физики: одна для причудливого субатомного мира,где электроны, видимо, могут находиться в двух местах одновремен-но, и вторая — для макроскопического мира, в котором мы живеми который, видимо, подчиняется законам Ньютона, основанным наздравом смысле.
По Бору, существует невидимая «стена», отделяющая мир атомовот обыденного знакомого макроскопического мира. В то время как вмире атомов действуют причудливые правила квантовой теории, мыживем с другой стороны стены, в мире четко определенных планет извезд, где волны уже коллапсировали.
Уилеру, которому преподавали квантовую механику сами ее соз-датели, нравилось суммировать взгляды представителей этих двухшкол. Он приводит пример трех судей на бейсбольном матче, ко-торые обсуждают тончайшие правила игры. Вынося решение, троесудей говорят:
Первый: Я называю их так, как вижу.Второй: Я называю их тем, чем они являются.Третий: Они — ничто до тех пор, пока я не назову их.
Для Уилера второй судья — это Эйнштейн, который верил в cyjществование абсолютной реальности за пределами человеческогоопыта. Эйнштейн называет это «объективной реальностью», то естьидеей, согласно которой объекты могут существовать в различныхсостояниях без вмешательства человека. Третий судья — это Бор,который считал, что реальность существует только после того, какимело место наблюдение.
Деревья в лесу
Физики иногда относятся к философам с некоторым пренебреже-нием, цитируя римлянина Цицерона, который когда-то сказал: «Несуществует ничего абсурдного настолько, чтобы философы этого непроизнесли». Математик Станислав Улам, который с пессимизмомотносился к тому, что глупейшим концептам присваивались воз-вышенные имена, однажды сказал: «Безумие — это способностьпроводить четкие грани между различными видами вздора». СамЭйнштейн однажды сказал по поводу философии: «Разве не похоже,что вся философия будто написана на меду? При созерцании онасмотрится чудесно, но взглянув снова, вы видите, что все исчезло.Остается только густая масса».
Физики также любят рассказывать апокрифическую историю онекоем ректоре университета, который пришел в ярость, увидев фи-нансовую смету для физического, математического и философскогофакультетов. Он сказал: «Почему это физикам все время нужностолько дорогостоящего оборудования? Вот смотрите, для матема-тического факультета нужны деньги только на бумагу, карандаши икорзины для бумаг, а что касается факультета философии, так там делообстоит еще лучше. Им даже не нужны корзины для бумаг».
Однако может случиться так, что смеяться последними будут всеже философы. Квантовая теория не завершена и покоится на шаткомфилософском основании. Эти квантовые расхождения требуют
пересмотра работ таких философов, как епископ Беркли, которыйв XVIII веке заявил, что объекты существуют только потому, чтоесть люди, которые на них смотрят; такое философское течение на-зывается солипсизмом или идеализмом. Если в лесу падает дерево, нонет никого, кто бы это увидел, то в действительности оно не падает,заявляют приверженцы такого подхода.
Теперь мы имеем дело с квантовой реинтерпретацией деревьев,падающих в лесу. До того как совершается акт наблюдения, вы незнаете, упало дерево или нет. В сущности, дерево существует во всехвозможных состояниях одновременно: оно может быть сожжено,свалено, распилено на дрова и опилки и так далее. Когда происходитнаблюдение, дерево внезапно попадает в определенное состояние, имы видим, что оно, к примеру, упало.
Сравнивая философские трудности теории относительности иквантовой теории, Фейнман однажды заметил: «Было время, когда вгазетах писали, что всего лишь двенадцать человек понимают теориюотносительности. Я не верю, что такое время было... С другой сторо-ны, думаю, не ошибусь, если скажу, что никто не понимает квантовуюмеханику». Он пишет, что квантовая механика «описывает природукак нелепицу с точки зрения здравого смысла. И это полностью со-гласуется с экспериментальной базой. Так что, я надеюсь, вы можетепринимать природу такой, какая она есть, — нелепой». Это вызвалочувство неловкости у многих физиков-практиков, которые чувству-ют себя так, будто строят целые миры на зыбучих песках. СтивенВайнберг пишет: «Я признаю, что есть некоторый дискомфорт в том,что всю жизнь я работаю с теоретической основой, которая никомудо конца не понятна».
В традиционной науке наблюдатель пытается оставаться, глядяна мир, настолько беспристрастным, насколько это возможно. (Каксказал один остряк, «Вы всегда можете вычислить ученого в стрип-клубе, поскольку он один смотрит не на подиум, а на публику».) Носейчас мы впервые видим, что невозможно разделить наблюдателя ипредмет его наблюдения. Как однажды заметил Макс Планк, «Наукане может окончательно разрешить загадку Природы. Причина за-ключена в том, что в конечном счете мы сами часть той загадки, кото-рую пытаемся разрешить».
Проблема кота
Эрвин Шрёдингер, который, собственно, и ввел волновое уравнение, •считал, что все это зашло слишком далеко. Он признался Бору, что ]сожалеет о том, что вообще ввел понятие волны, раз за ним в физикупроник концепт вероятности.
Чтобы уничтожить идею вероятностей, он предложил следующийэксперимент. Представьте, что в ящике сидит кот. Внутри также нахо-дится бутылка с ядовитым газом, соединенная с молотом, который, всвою очередь, соединен со счетчиком Гейгера, помещенным рядомс куском урана. Никто не станет оспаривать тот факт, что радиоак-тивный распад атома урана — чисто квантовое событие, которое неможет быть предсказано наперед. Пусть существует 50-процентнаявероятность того, что распад начнется в следующую секунду. Но еслиначнется распад атома урана, то запустится счетчик Гейгера, которыйосвободит молот, который разобьет бутылку, что станет причинойсмерти кота. До того как вы откроете коробку, нельзя сказать, жив котили мертв. В сущности, для того, чтобы описать кота, физики добав-ляют волновую функцию к мертвому коту и живому коту — то естьмы помещаем кота в жуткое состояние, где он на 50 % жив и на 50 %мертв одновременно.
Теперь откроем коробку. Как только мы взглянем внутрь, совер-шится акт наблюдения, произойдет коллапс волновой функции и мыувидим, что кот, к примеру, жив. Шрёдингеру все это казалось глупос-тью. Как может быть кот жив и мертв одновременно только потому,что мы на него не смотрим? Он начинает внезапно существовать,как только мы взглянем на него? Эйнштейну тоже не нравилась такаяинтерпретация. Когда к нему домой приходили гости, он говорил:посмотрите на луну. Неужели она внезапно начинает существовать,когда на нее взглянет мышь? Эйнштейн считал, что ответ на этот во-прос может быть только отрицательный. Но в каком-то смысле ответмог быть и утвердительным.
История эта достигла апогея в историческом столкновенииЭйнштейна и Бора на Сольвеевском конгрессе в 1930 году. ПозднееУилер заметит, что это был величайший известный ему спор вистории мысли. Он скажет, что за тридцать лет он никогда не слы-шал спора двух более великих людей по более глубокому вопросу,
который имел бы более серьезные последствия для пониманияВселенной.
Эйнштейн, неизменно отважный, дерзкий и в высшей степеникрасноречивый, предложил ряд «мысленных экспериментов», на-правленных на разрушение квантовой теории. Бор, беспрерывнобормотавший, после каждой атаки понемногу сдавал свои позиции.Физик Поль Эренфест заметил: «Замечательно, что я был свидете-лем диалогов между Бором и Эйнштейном, будто шахматист, стал-кивающийся все с новыми и новыми ситуациями. Как некий вечныйдвигатель, намеренный прорвать завесу неопределенности, Борвсе время выискивал в облаке философии средства опровергнутьпримеры один за другим. Эйнштейн был каждое утро свеж, будточертик, выскакивающий из коробочки. О, это было прекрасно. Но япрактически безоговорочно за Бора и против Эйнштейна. Сегодняон ведет себя по отношению к Бору точно так же, как чемпионыабсолютной одновременности вели себя по отношению к нему са-мому».
Наконец Эйнштейн предложил эксперимент, который, по егомнению, должен был нанести завершающий удар по квантовой те-ории. Представьте, что в коробочке содержатся фотоны в виде газа.Если в коробке есть затвор-диафрагма, то оттуда может вылететьодин фотон. Раз можно точно измерить скорость затвора, а такжеэнергию фотона, то таким образом можно определить состояниефотона с бесконечной точностью, что противоречит принципу не-определенности.
Эренфест писал: «Для Бора это оказалось тяжким ударом. На тотмомент он не видел решения. Он был очень расстроен весь вечер,ходил от одного к другому, пытаясь убедить всех, что это не можетбыть правдой, потому что если Эйнштейн прав, то это ознаменовалобы конец физики как таковой. Но он никак не мог придумать опро-вержение. Я никогда не забуду зрелище, которое являли собой дваоппонента, покидая университетский клуб. Эйнштейн, величествен-ная фигура, спокойно шагал с легкой иронической улыбкой, а Борсеменил рядом с ним, чрезвычайно расстроенный».
Когда несколько позже Эренфест встретил Бора, тот был неразго-ворчив; он только снова и снова повторял одно слово: «Эйнштейн...Эйнштейн... Эйнштейн».
На следующий день, после напряженной бессонной ночи, Борсмог найти крошечный изъян в аргументах Эйнштейна. После испу-скания фотона коробка становилась чуть легче, поскольку веществои энергия были эквивалентны. Это означало, что коробка чуть полни»малась под действием силы гравитации, поскольку, согласно теориигравитации самого Эйнштейна, энергия также обладала весом. Есливычислить неопределенность в весе и неопределенность в скорости затвора, то обнаруживалось, что коробка в точности повиноваласьпринципу неопределенности. По сути, Бор воспользовался теориейгравитации Эйнштейна, чтобы аргументы Эйнштейна же опроверг-,нуть! Бор победил, Эйнштейн потерпел поражение.
Говорят, что, когда позднее Эйнштейн пожаловался, что «Бог не играет в црстн с миром», Бор ему ответил: «Не нам указывать Богу, что Ему делать». В конечном счете Эйнштейн признал, что Боруспешно опроверг его аргументы. Эйнштейн написал: «Я убежден,что в этой теории, несомненно, содержится зерно истины». (ОднакоЭйнштейн с пренебрежением относился к физикам, которые былине в состоянии оценить тонкие парадоксы, присущие квантовой тео-рии. Однажды он написал: «Конечно, сегодня каждый плут считает,что знает ответ, но он обманывает сам себя».)
После этого спора, а также других споров с квантовыми физикамиЭйнштейн в конце концов сдался, но он избрал другой подход. Онпризнал, что квантовая теория верна, но лишь в определенной об-ласти, только в качестве приближенности к истине. Он хотел, чтобыквантовая теория оказалась поглощена более общей и сильной те-орией — теорией поля, подобно тому как теория относительностиобобщала (но не уничтожала) теорию Ньютона.
(Однако этот спор между Эйнштейном и Шрёдингером с однойстороны и Бором и Гейзенбергом с другой нельзя так просто сбра-сывать со счетов, поскольку все эти «мысленные эксперименты»теперь осуществимы в лабораториях. Хотя ученые не могут добитьсятого, чтобы кот был одновременно жив и мертв, они могут управлятьотдельными атомами при помощи нанотехнологий. Недавно этисложнейшие эксперименты были проведены с наночастицей С60,известной как бакибол (Buckyball), содержащей 60 атомов углерода,а потому воздвигнутая Бором «стена», разделяющая большие объ-екты и квантовые, стремительно разрушается. Физики-эксперимен-
таторы сейчас размышляют над тем, что потребовалось бы для. того,чтобы показать, что вирус, состоящий из тысяч атомов, может нахо-диться в двух местах одновременно.)
Бомба
Самым неудачным образом все рассуждения по поводу этих занима-тельных парадоксов были прерваны выдвижением Гитлера в канцле-ры в 1933 году и лихорадочной гонкой по созданию первой атомнойбомбы. В течение многих лет было известно (из знаменитого уравне-ния Эйнштейна Е = mc2), что атом является закрытым хранилищемогромных количеств энергии. Но большинство физиков несерьезноотносились к мысли об использовании этой энергии. Даже ЭрнстРезерфорд, человек, открывший ядро атома, сказал: «Энергия, осво-бождаемая при разбивании ядра атома, очень незначительна. Любой,кто рассчитывает найти источник энергии в трансформации атомов,несет вздор».
В 1939 году Бор предпринял судьбоносную поездку в Соединен-ные Штаты, приземлившись в Нью-Йорке для встречи со своимучеником Джоном Уилером. Бор вез зловещие новости: Отто Хан иЛиз Майтнер доказали, что атом урана можно разбить надвое; в этомпроцессе, называемом расщеплением атома, освобождалась энергия.Бор и Уилер начали разрабатывать квантовую динамику ядерного де-ления. Поскольку все в квантовой теории основано на вероятности ислучайности, они вычислили вероятность того, что нейтрон расщепитядро урана, освободив тем самым два или более нейтронов, которые,в свою очередь, расщепят еще большее количество ядер атомов урана,в результате чего освободится еще больше нейтронов, и так далее,что запустит цепную реакцию, способную разрушить целый город.(В квантовой механике никогда не знаешь, расщепит ли отдельныйконкретный нейтрон атом урана, но можно с невероятной точностьювычислить вероятность того, что миллиарды атомов урана расщепят-ся в бомбе. В этом и состоит сила квантовой механики.)
Их квантовые расчеты показали, что существование атомнойбомбы вполне возможно. Два месяца спустя Бор, Юджин Вигнер,Лео Сцилард и Уилер встретились в старом кабинете Эйнштейна вПринстоне, чтобы обсудить перспективы создания атомной бомбы.
Бор считал, что для создания бомбы понадобятся ресурсы всей на»ции. (Несколько лет спустя Сцилард убедит Эйнштейна написать:судьбоносное письмо Президенту Франклину Рузвельту, где настоя-тельно рекомендовалось сконструировать атомную бомбу)
В том же году нацисты, узнав о том, что огромное количествоэнергии, испускаемое атомом урана, может дать им непобедимоеоружие, велели ученику Бора Гейзенбергу создать атомную бомбудля Гитлера. Неожиданно все разговоры о квантовых вероятностяхраспада стали в высшей степени серьезными: на карту была постав-лена судьба всего человечества. На смену спорам о вероятности об-наружения живых котов пришли споры о вероятности расщепленияурана.
В 1941 году, когда нацисты держали под контролем большую частьЕвропы, Гейзенберг тайно навестил своего старого преподавателяБора в Копенгагене. До сих пор завеса тайны покрывает то, в какомключе проходила их беседа; об этом написаны отмеченные награ-дами пьесы, а историки до сих пор спорят о содержании встречи.Предлагал ли Гейзенберг саботировать создание германской атом-ной бомбы? Или, наоборот, он пытался завербовать Бора для работыпо созданию атомной бомбы для нацистов? В 2002 году, шесть деся-тилетий спустя, завеса тайны над намерениями Гейзенберга была ча-стично приподнята, когда родные Бора опубликовали письмо Бора,написанное Гейзенбергу уже в 50-е годы, но так и не отправленное.В письме Бор вспоминал, что на той встрече Гейзенберг назвал по-беду нацистов неизбежной. Поскольку остановить непробиваемуюмашину нацизма нельзя, то было бы только логично, если бы Борработал на нацистов.
Бор был потрясен и шокирован до глубины души. Дрожа от не-годования, он отказался отдать свою работу над квантовой теориейв руки нацистов. Поскольку Дания находилась под контролем наци-стов, Бор спланировал тайный побег на самолете, во время которогоон чуть не задохнулся из-за нехватки кислорода.
А тем временем в Колумбийском университете Энрико Фермидоказал, что ядерная цепная реакция осуществима. Придя к этомувыводу, он окинул взглядом Нью-Йорк и осознал, что одна-един-ственная бомба может полностью уничтожить знаменитый город.Когда Уилер увидел, как высоко поднялись ставки, он добровольно
оставил Принстон и присоединился к Ферми в лаборатории подуниверситетским стадионом Стэгг-Филд в Чикаго, где они вместесоздали первый ядерный реактор, тем самым ознаменовав официаль-ное начало ядерной эпохи.
На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало статьсвидетелем самых важных событий в ходе атомной войны. Во времявойны он помогал контролировать строительство исполинскогоядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывалсясырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затемуничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над соз-данием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первогоее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнцана небольшой островок в Тихом океане. Однако, более десяти летпробыв на первых страницах истории, в конце концов Уилер все жевернулся к своей первой любви — загадкам квантовой теории.
Суммирование по траекториям
Одним из многих учеников Уилера в послевоенные годы был РичардФейнман, который нашел, возможно, простейший и в то же времясамый глубокий способ суммировать сложности квантовой теории.(Одним из следствий стало присуждение Фейнману Нобелевскойпремии в 1965 году.) Представим, что вы хотите пройти через ком-нату. По Ньютону, вы просто-напросто выберете кратчайший путьот точки А к точке Б, называемый классическим. Но по Фейнману,прежде всего вы должны учесть все возможные пути, соединяющиеточки А и Б. Это означает, что вы должны принять во внимание пути,которые приведут вас на Марс, Юпитер, к ближайшей звезде, даже тепути, которые ведут назад во времени, к моменту Большого Взрыва.Не имеет значения, насколько сумасшедшими и причудливыми будутэти пути, — вы все равно должны их учитывать. Затем Фейнман при-писал каждому пути определенную величину, а также привел сводточных правил, руководствуясь которыми можно было бы эту вели-чину определить. Самым чудесным образом, сложив эти величинывсех возможных путей, вы находите вероятность перехода из точкиА в точку Б, которая дается обычной квантовой механикой. Это былопоистине замечательно.
Фейнман обнаружил, что сумма этих величин, приписываемыхпричудливым и противоречащим законам Ньютона путям, обычноуравновешивалась и давала небольшое число. Такова была природаквантовых флуктуации — они представляли пути, сумма которыхбыла очень мала. Но Фейнман также обнаружил, что избранный наоснове здравого смысла ньютоновский путь не уравновешивался,а обладал максимальной итоговой величиной — это был путь снаибольшей вероятностью. Таким образом, наше представление офизической вселенной, основанное на здравом смысле, являетсяпросто-напросто наиболее вероятным состоянием из бесконечногоколичества возможных. Но мы сосуществуем со всеми возможнымисостояниями, некоторые из них перенесли бы нас в эпоху динозав-ров, к ближайшей сверхновой или на окраину Вселенной. (Эти при-чудливые пути создают мельчайшие отклонения от ньютонианскогопути, избранного на основе здравого смысла, но, к счастью, обладаюточень малой вероятностью.)
Иными словами, как бы странно это ни выглядело, каждый раз,как вы идете через комнату, ваше тело заблаговременно «обнюхи-вает» все возможные пути, даже те, что ведут к далеким квазарами Большому Взрыву, а затем все их складывает. Используя мощныйматематический аппарат, называемый функциональным интегриро-ванием, Фейнман показал, что ньютоновский путь -— всего лишьнаиболее вероятный, но не единственный. Совершив блестящийматематический подвиг, Фейнман смог доказать, что эта картина,какой бы ошеломляющей она ни казалась, полностью эквивалентнаобычной квантовой механике.
Сила фейнмановского «суммирования по траекториям» со-стоит в том, что сегодня, когда мы формулируем теории ТВО, тео-рию инфляции и даже струнную теорию, мы пользуемся подходомФейнмана, основанным на интегралах по траекториям. Этот методпреподается сейчас во всех университетах мира и на сегодняшнийдень является самым эффективным и удобным способом формули-ровки квантовой теории.
(Я сам каждый день в своих исследованиях пользуюсь подходомФейнмана, основанным на обобщении интегралов по траекториям.Каждое уравнение, которое я пишу, выводится на основе суммиро-вания по траекториям. Когда в бытность студентом я впервые узнал
о подходе Фейнмана, он изменил все мое ментальное представлениео вселенной. Умом я понимал абстрактную математику квантовойтеории и общей теории относительности, но изменила мое мировоз-зрение именно та идея, что, просто проходя по комнате, я каким-тообразом исследую пути, которые могут привести меня на Марс илик далеким звездам. Внезапно у меня появилась странная новая мыс-ленная картина — самого себя, живущего в этом квантовом мире.Я начал понимать, что квантовая теория намного более заумна, чемсложнейшие следствия теории относительности.)
Когда Фейнман разработал эту причудливую формулировку,Уилер, который тогда был в Принстонском университете, бросилсяв Институт передовых исследований к Эйнштейну, чтобы попытать-ся убедить его в элегантности и мощи этой новой картинки. Уилервзволнованно объяснил Эйнштейну новую теорию Фейнмана обобобщении интегралов по траекториям. Он не осознавал полностью,насколько дико эти слова прозвучали для Эйнштейна. ВпоследствииЭйнштейн качал головой и повторял, что он все же не верит в то, чтоБог играет в кости с миром. Эйнштейн признался Уилеру, что мог иошибаться, но настаивал на том, что он вполне заработал себе правоошибаться.
Друг Вигнера
Большинство физиков пожимают плечами и разводят руками, стал-киваясь с заумными парадоксами квантовой механики. Для боль-шинства практикующих ученых квантовая механика — это наборкулинарных правил, результатом применения которых являютсяправильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точ-ностью. Джон Полкингхорн, физик, ставший священником, сказал:«Средний квантовый механик философичен не в большей мере, чемобычный механик».
Однако некоторые из глубочайшихфизиков-мыслителей боролисьс этими вопросами. Например, существует несколько способов раз-решения шрёдингеровской проблемы кота. Первый был предложенНобелевским лауреатом Юджином Вигнером и другими — сознаниеопределяет существование. Вигнер написал, что «невозможно былополностью последовательно сформулировать законы квантовой ме-
ханики без учета сознания [наблюдателя]... само изучение внешнегомира вело к заключению, что содержание сознания является высшейреальностью». Или, как когда-то написал поэт Джон Ките, «Ничтоне реально до тех пор, пока не испытано».
Но если я совершаю наблюдение, то что должно определить, вкаком состоянии нахожусь я? Это означает, что кто-то еще долженнаблюдать за мной, заставляя мою волновую функцию коллапсиров-вать. Иногда этого «кого-то» называют «другом Вигнера». Но этотакже означает, что кто-то должен наблюдать и за другом Вигнера,и за другом друга Вигнера, и так далее. Существует ли космическийРазум, определяющий, наблюдая за всей Вселенной, полную после-довательность «друзей »?
Андрей Линде, один из создателей инфляционной теории, —гпредставитель тех физиков, которые упорно верят в центральнуюроль сознания:
Я как человеческое существо не вижу ни единого довода, наосновании которого я мог бы заявить, что Вселенная находитсяздесь в отсутствие наблюдателей. Мы вместе — мы и Вселенная.Когда говорят, что Вселенная существует без всякихнаблюдателей,я не вижу в этом никакого смысла. Я не могу представить связнуютеорию всего, в которой игнорируется сознание. Записывающееустройство не может играть роль наблюдателя, поскольку ктопрочтет то, что записано на этом устройстве? Чтобы мы увидели,что что-либо происходит, и сказали друг другу, что что-либо про-исходит, нужна Вселенная, нужно записывающее устройство,нужны мы... В отсутствие наблюдателей Вселенная мертва...
Согласно философии Линде, окаменелости динозавров не суще-ствуют до тех пор, пока на них не взглянешь. Но если на них взглянуть,то они «впрыгивают» в существование, как будто они существовалимиллионы лет назад. (Физики, придерживающиеся этой точки зре-ния, достаточно внимательны, чтобы указывать на то, что эта картинаэкспериментально соответствует тому миру, в котором окаменело-стям динозавров и вправду миллионы лет.)
(Некоторые люди, не одобряющие введение фактора сознания вфизику, заявляют, что камера может совершать наблюдение электро-на, а потому волновые функции могут коллапсировать и без участия
сознательных существ. Но тогда кто скажет, что камера существует?Нужна еще одна камера, чтобы «наблюдать» за первой камерой изаставить коллапсировать ее волновую функцию. Затем необходимавторая камера, чтобы наблюдать за первой, третья, чтобы наблюдатьза второй, и так до бесконечности. Такое введение камер не отвечаетна вопрос о том, каким образом коллапсирует волновая функция.)
Декогеренция
Способом практического разрешения этих тернистых философскихвопросов, завоевывающим все большую популярность среди физи-ков, является декогеренция. Впервые это понятие было сформули-ровано немецким физиком Дитером Не в 1970 году. Он заметил, чтов реальном мире нельзя отделить кота (все того же) от окружающейсреды. Кот находится в постоянном контакте с воздухом, коробкойи даже космическими лучами, которые пронизывают эксперимент.Вне зависимости от того, насколько малы эти взаимодействия, ониоказывают радикальное влияние на волновую функцию: если вол-новая функция нарушена хотя бы в незначительной степени, то онараспадается на две волновые функции мертвого кота и живого кота,которые более не взаимодействуют. Це показал, что столкновения содной-единственной молекулой воздуха достаточно, чтобы волноваяфункция коллапсировала, вызвав немедленное разделение волновыхфункций живого кота и мертвого, которые больше не взаимодей-ствуют друг с другом. Иными словами, еще до того, как вы откроетекоробку, кот уже вступил в контакт с молекулами воздуха и отсюдауже жив или мертв.
Це принадлежит ключевое наблюдение, он заметил то, что былоупущено: чтобы кот был одновременно и мертв, и жив, его волноваяфункция должна вибрировать с практически полной синхронизаци-ей, это состояние называется когеренцией. Но экспериментальноэто практически невозможно. Создать когерентные объекты, вибри-рующие в унисон, в лабораторных условиях чрезвычайно сложно.(В действительности сложно получить больше горсточки когерент-но вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром.)В реальном мире объекты взаимодействуют с окружающей средой, ималейшее взаимодействие с внешним миром может нарушить две об-
разевавшиеся волновые функции и они начнут «декогерировать», то:есть рассинхронизируются и разделятся. Це показал, что, как толькодве волновые функции перестают вибрировать в фазе друг с другом,они более не взаимодействуют между собой.
Многие миры
Поначалу понятие декогеренции кажется весьма удовлетворитель-ным: теперь волновая функция коллапсирует не через сознание, ачерез беспорядочное взаимодействие с внешним миром. Но этовсе же не решает фундаментального вопроса, беспокоившего ещеЭйнштейна: как природа «выбирает», в какое состояние коллапси-ровать? Когда молекула воздуха ударяет кота, кто или что определяетфинальное состояние кота? По этому вопросу теория декогеренциипросто утверждает, что две волновые функции разделяются и болеене взаимодействуют между собой, но она не отвечает на первона-чальный вопрос: мертв кот или жив? Иными словами, декогеренцияделает присутствие сознания ненужным в квантовой механике, ноона не решает вопрос, беспокоивший Эйнштейна: каким образомприрода «выбирает» финальное состояние кота? В ответ на этот во-прос теория декогеренции просто хранит молчание.
Однако существует естественное расширение декогеренции,которое разрешает данный вопрос; сегодня оно приобретает всеболее широкое признание среди физиков. Этот подход был пред-ложен еще одним учеником Уилера, Хью Эвереттом III, которыйоговорил возможность того, что кот может быть одновременно ижив, и мертв в двух различных вселенных. Когда в 1957 году Эвереттзакончил свою диссертацию, ее едва заметили. Однако с течениемвремени интерес к теории «многих миров» начал расти. Сегодняэта теория вызвала прилив обновленного интереса к парадоксамквантовой теории.
Согласно этой совершенно новой интерпретации, кот одновре-менно и жив, и мертв по той причине, что Вселенная распалась надве. В одной вселенной кот мертв; в другой он жив. В сущности, вкаждый момент времени вселенная расщепляется надвое, становясьзвеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Согласноэтому сценарию, все вселенные возможны, каждая из них так же
реальна, как и любая другая. Люди, живущие в каждой вселенной,могут яростно утверждать, что именно их вселенная реальна, а всеостальные лишь воображаемые или ненастоящие. Эти параллельныевселенные — не эфемерно существующие призрачные миры; в каж-дой вселенной мы видим столь же реальные и объективные твердыепредметы и столь же реальные и объективные конкретные события,как и в любой другой.
Преимуществом этой интерпретации является тот факт, что мыможем опустить условие номер три — коллапс волновой функции.Волновые функции никогда не коллапсируют, они продолжают раз-виваться, вечно распадаясь на новые и новые волновые функции вбесконечном древе распада, каждая ветвь которого представляет це-лую вселенную. Большим преимуществом теории многих миров яв-ляется то, что она проще, чем Копенгагенская интерпретация: здесьне нужен коллапс волновой функции. Но цена, которую мы платимза это, та, что теперь у нас есть вселенные, все время распадающиесяна миллионы ветвей. (Некоторым сложно понять, каким образомвести учет всех этих множащихся вселенных. Однако волновое урав-нение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитиеволнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветвиволны.)
Если эта интерпретация верна, то в этот самый момент ваше телососуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся всмертельной схватке. Вместе с вами в комнате сосуществует волно-вая функция того мира, в котором немцы выиграли Вторую миро-вую войну, в котором бродят инопланетные пришельцы, в которомвы никогда так и не родились. Среди вселенных, существующих ввашей гостиной, находятся и миры «Человека в высоком замке» и«Сумеречной зоны». Загвоздка в том, что мы не можем с ними боль-ше взаимодействовать, поскольку они от нас декогерировали.
Как сказал Алан Гут, «существует вселенная, где Элвис все ещежив». Физик Франц Вильчек написал: «Нас преследует сознаниетого, что бесконечное количество чуть-чуть отличающихся от наскопий нас самих живет своими параллельными жизнями, а такжетого, что в каждый момент еще больше двойников начинают свое су-ществование, занимая место в одном из наших возможных вариантовбудущего». Он замечает, что история греческой цивилизации, а отсю-
да и всего западного мира, могла быть иной, если бы Елена Троянскаябыла не такой пленительной красавицей, а имела уродливую боро- давку на носу. «Что же, бородавки могут возникнуть как результатмутаций в отдельных клетках, часто вызванных пребыванием подлучами солнца, несущими ультрафиолет». Он продолжает: «Вывод;существует много, много миров, в которых у Елены Троянской былабородавка на кончике носа».
Мне вспоминается отрывок из классического научно-фанта-стического произведения Олафа Стэплдона «Создатель звезд»:«Каждый раз, когда существо встречалось с несколькими воз-можными путями действия, оно избирало их все, таким образомсоздавая много... самостоятельных историй космоса. Ибо в каждомпроцессе эволюционного развития в космическом пространствесуществовало много созданий, и каждое из них постоянно сталки-валось с выбором из многих возможных путей, и комбинации всехэтих путей были бесчисленны, представляя собой бесконечностьотдельных вселенных, отслаивающихся в каждый момент каждогоотрезка времени».
Голова идет кругом, когда мы понимаем, что, согласно этой интер-:претации квантовой механики, все возможные миры сосуществуютвместе с нами. Хотя для того, чтобы достичь иных миров, может пона-добиться портал-червоточина, эти квантовые реальности существу-ют в той самой комнате, где мы живем. Они сосуществуют с нами,куда бы мы ни пошли. Ключевой вопрос вот в чем: если это правда,то почему мы не видим эти иные вселенные, наполняющие нашугостиную? А вот здесь вступает в дело декогеренция: наша волноваяфункция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волныбольше не находятся в фазе друг с другом). У нас больше нет контактас ними. Это означает, что даже малейшее взаимодействие с окружаю-щей средой исключит взаимодействие различных волновых функцийдруг с другом. (В главе 11 я привожу возможное исключение из этогоправила, с помощью которого разумным существам может удатьсяпутешествие между квантовыми реальностями.)
Не кажется ли это слишком странным, чтобы быть возможным?Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проводит параллель междуэтой теорией многих вселенных с радио. Вокруг вас сотни различных
радиоволн, передаваемых далекими станциями. В любой заданныймомент ваш офис, машина или гостиная заполняется этими радио-волнами. Однако если вы включите приемник, то сможете слушатьрадиоволны только на одной частоте в данный момент; остальныечастоты декогерировали и больше не находятся в фазе друг с другом.Каждая станция обладает различной энергией, различной частотой.В результате ваш приемник в данный момент времени может прини-мать вещание только на одной частоте.
Подобным образом в нашей вселенной и мы «настроены» начастоту, которая соответствует физической реальности. Но естьбесконечное количество параллельных реальностей, сосуществую-щих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроить-ся на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом изних атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мирсостоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что раз-личие в энергии может быть довольно велико. Поскольку частотаэтих волн пропорциональна их энергии (по закону Планка), то этоозначает, что волны каждого мира вибрируют с различной часто-той и больше не могут взаимодействовать. Фактически волны этихразличных миров не взаимодействуют друг с другом и не влияютдруг на друга.
Что удивительно, принимая эту странную точку зрения, ученыемогут прийти ктем же результатам, что и с помощью Копенгагенскогоподхода, без всякой нужды в коллапсе волновой функции. Инымисловами, эксперименты, проведенные как в соответствии с Копен-гагенской интерпретацией, так и в соответствии с интерпретациейтеории многих миров, принесут в точности совпадающие результа-ты. Коллапс волновой функции Бора в математическом отношенииэквивалентен действию окружающей среды. Иными словами, котШрёдингера может быть мертв или жив одновременно, если мыкаким-либо образом изолируем кота от возможного воздействиякаждого атома или космического луча. Конечно, на практике этонеосуществимо. Как только кот вступит в контакт с космическимлучом, волновая функция живого кота и волновая функция мертвогокота декогерируются и будет казаться, что волновая функция коллап-сировала.
Вещество из информации
В обстановке возродившегося интереса к проблеме измерения вквантовой теории Уилер стал большим авторитетом в области кван-товой физики. Он стал появляться на многочисленных конференци-ях, организованных в его честь. Сторонники движения Нью Эйдж(Новая Эра), которых вдохновляла идея фактора сознания в физике,даже провозгласили Уилера своим гуру. (Однако он не всегда был радтаким ассоциациям. Однажды он сильно расстроился, обнаружив,что находится в списке приглашенных вместе с тремя парапсихоло-гами. Он не замедлил высказать свое мнение по этому поводу, и в егоречи прозвучала фраза «Нет дыма без дыма».)
После 70 лет массовых размышлений над парадоксами кванто-вой теории Уилер первым признал, что он не знает ответов на всевопросы. Он продолжает подвергать сомнению собственные пред-положения. Когда его спросили о проблеме измерения в квантовоймеханике, он ответил: «Меня просто сводит с ума этот вопрос.Я признаю, что иногда я на сто процентов серьезно воспринимаю 'идею о том, что мир — это плод воображения, но в другие моментымне кажется, что мир существует вне всякой зависимости от нас.Однако я от всей души готов подписаться под словами Лейбница:;"Этот мир может быть иллюзией, а существование — не более чемсном, но этот сон или иллюзия для меня достаточно реальны при условии, что мы не будем введены ими в заблуждение, правильно ис-пользуя разум"».
Сегодня теория многих миров, или теория декогеренции, завое-вывает все большую популярность среди физиков. Но Уилер обеспо-коен тем, что для нее требуется «слишком много лишнего багажа».Он играет с еще одним объяснением проблемы кота Шрёдингера. Он .называет свою теорию «Вещество из информации» («It from Bit»).Это нетрадиционная теория, которая основывается на предположе-нии о том, что информация находится у истоков всего бытия. Когдамы смотрим на Луну, галактику или атом, их сущностью, согласноУилеру, является заключенная в них информация. Но эта информа-ция начала свое существование, когда вселенная обратила свой взорна саму себя. Уилер рисует круговую диаграмму, иллюстрирующуютеорию вселенной. Существование вселенной началось в тот мо-
мент, когда она стала объектом наблюдения. Это означает, что «оно»(вещество вселенной) возникло в тот момент, когда информация(«бит») вселенной была замечена. Он называет эту теорию моделью«вселенной-участницы». Идея заключается в том, что вселеннаяприспосабливается к нам таким же образом, как и мы приспосабли-ваемся к ней; в том, что само наше присутствие обусловливает воз-можность существования вселенной. (Пока не достигнут консенсуспо поводу проблемы измерения в квантовой механике, в отношениитеории «Вещество из информации» большинство физиков занимаетпозицию «поживем — увидим».)
Квантовые компьютеры и телепортация
Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной со-фистикой, без малейшей возможности практического примененияв нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ан-гелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется,обсуждают то, в скольких местах одновременно может находитьсяэлектрон.
Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоно-вой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на естьпрактическое применение — стать двигателем мировой экономики.Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым оттонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно,наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельныхвселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура бази-руется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит,что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года,на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в сили-коновые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощиультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясатьтехнологический пейзаж, его действие не может длиться вечно.В самом современном чипе Пентиум используется слой в 20 атомов.В течение 15-20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно,в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придетсяуйти от Ньютона и руководствоваться принципами квантовой ме-ханики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга.
В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Этоозначает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент,когда электроны будут выскакивать из непроводников и полупрово-дников, вместо того чтобы оставаться внутри них.
Когда-нибудь возможности электроники, основанной на кремнии,исчерпаются. И это возвестит приход квантовой эры. Силиконоваядолина может прийти в упадок. Когда-нибудь нам, возможно, при-дется считать на самих атомах, что приведет к полному изменениюархитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны на двоич-ной системе исчисления — любое число представляется нулями иединицами. У атомов же спин может быть направлен вверх, вниз илив стороны одновременно. На смену компьютерным битам (нулям иединицам) могут прийти «кубиты» (любое число между единицей инулем), что сделает вычисления с помощью квантовых компьютеровнамного более продуктивными, чем при помощи обычных компью-теров.
Для примера, квантовый компьютер мог бы потрясти самое осно-вание международной безопасности. Сегодня большие банки, транс-национальные корпорации и индустриальные страны кодируют своисекретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов.Многие секретные коды построены на разложении на множителиогромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы векадля того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число.Но для квантового компьютера такие вычисления не представляютникакой сложности, а потому при помощи квантового компьютераможно с легкостью взломать любые секретные коды в мире.
Чтобы представить себе, каким образом функционирует кванто-вый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколькоатомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мыпросвечиваем ихлазером таким образом, что многие из спинов пере-вернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измеривотраженный свет лазера, мы записываем сложную математическуюоперацию — рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этотпроцесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы долж-ны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всехвозможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, длякоторого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере
выполнить практически невозможно, вне зависимости от того, сколь-ко времени для этого будет отведено.
В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это озна-чает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами,нам придется складывать все возможные параллельные вселенные.Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими все-ленными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи по-ложений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы не когерентныс другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компью-тера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)
Хотя потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломля-ет, на практике масштабы возникающих проблем столь же велики.В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использую-щихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этомквантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получитьпятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобыквантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартнымсовременным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионыатомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже содной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того,что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно сте-рильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающейсреды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скоростипревосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а тои миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеровнас отделяют, по меньшей мере, десятилетия.)
Квантовая телепортация
В конечном итоге может быть найдено практическое применение, напервый взгляд, бессмысленному обсуждению физиками параллель-ных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер»,использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «СтарТреке» и других научно-фантастических программах, кажется чудес-ным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Нокак ни маняще звучит эта идея телепортации, физиков она приводитв замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу не-
определенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состо-яние, а потому точная копия создана быть не может.
Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году спомощью так называемой квантовой сцепленности. Она основанана старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейноми его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так на-зываемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, илиЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько вдействительности безумна квантовая теория. Допустим, произошелвзрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлени-ях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутитьсякак волчок, допустим, что их спины связаны — то есть если ось спинаодного электрона направлена вверх, то ось спина второго направленавниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до того,как мы совершаем измерение, мы еще не знаем, в каком направлениивертится каждый электрон.
Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электронабудут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга.Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, чтоего ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второ-го направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что одинэлектрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращатьсявниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, на-ходящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полноевпечатление, что информация путешествовала со скоростью, превы-шающей скорость света, а это явное нарушение специальной теорииотносительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построен-ного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершаяпоследовательные измерения одной пары электронов, можно нару-шить принцип неопределенности. Что более важно, он показал, чтоквантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог до этогосебе представить.
Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселеннаябыла локальной, что возмущения в одной части Вселенной рас-пространялись от источника лишь локально. Эйнштейн показал,что квантовая механика по своей сути нелокальна — возмущенияиз одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки
Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на рас-стоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейнуверял, что квантовая теория неверна.
(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштей-на — Подольского — Розена разрешим при таком допущении:если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то онидействительно смогли бы определить, в каком направлении враща-ются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность в спине иположении электрона — просто фикция, результат того, что нашиинструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых пере-менных, — то есть должна существовать скрытая субквантовая тео-рия, в которой неопределенности не существует вообще, и в основеэтой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)
Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Беллподверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испыта-нию. Он показал, что при проведении эксперимента ЭПР должносуществовать численное соответствие между спинами двух электро-нов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теорияскрытых переменных была верна, то спины должны были иметь односоотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотно-шение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всейквантовой механики (основы всей современной атомной физики)зависела бы от одного-единственного эксперимента.
Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн оши-бался. В начале 1980-х годов Алан Эспект и его коллеги во Франциипоставили эксперимент ЭПР. В эксперименте использовались двадетектора, расположенные на расстоянии 13 метров, которые из-меряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 годуэксперимент ЭПР был поставлен с детекторами, расположенными нарасстоянии в 11 километров. В обоих случаях победила квантовая те-ория. Определенная форма знания действительно перемещается бы-стрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет эксперимента ЭПР,он был прав в вопросе более существенного масштаба — о сообще-нии, проходящем быстрее света. Хоть эксперимент ЭПР и позволяетузнать что-либо о другой стороне галактики, о*н не позволяет такимспособом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким об-разом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «передатчик ЭПР» отсы-
лал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спиныбудут другими каждый раз, как вы их измеряете. Эксперимент ЭПРпозволяет вам получить информацию о другой стороне галактики,но он не позволяет вам передавать полезную, не беспорядочнуюинформацию.)
Белл для описания этого эффекта приводил пример математикапо имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждыйдень надевать на одну ногу синий носок, а на другую — зеленый, вслучайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синийносок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том,что другой его носок — зеленый. Но это знание отнюдь не позволяетвам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение инфор-мации отличается от ее пересылки. Эксперимент ЭПР не означает,что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествийбыстрее света или путешествий во времени. Но он все же означает,что для нас невозможно полностью отрешиться от единства вселен-ной.
Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашейВселенной. Существует космическое «сцепление» (entanglement)между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся нарасстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошлоиз одного источника — Большого Взрыва, — то в каком-то смыслевсе атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселеннойпри помощи космической квантовой паутины. Сцепленные частицычем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пупо-виной (волновой функцией), которая может быть длиной во многосветовых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воз-действует и на другого, а отсюда знание об одной частице может неза-медлительно предоставить информацию о ее двойнике. Сцепленныечастицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единыйобъект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстоя-ниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, посколькуволновые функции частиц в Большом Взрыве были когда-то связаныи когерентны, то эти волновые функции все еще могут быть частичносоединены миллиарды лет спустя после Большого Взрыва таким об-разом, что возмущения в одной части волновой функции могут воз-действовать на другую часть той же волновой функции.)
В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-сцепленности для создания устройства, с помощью которого можносовершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах ученыеиз Калифорнийского технологического института, УниверситетаАарус в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспери-ментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе экспе-римента отдельный фотон был телепортирован через стол. СэмюэлБраунштайн, принимавший участие в организации эксперимента,сравнил сцепленные пары слюбовниками, «которые знают друг дру-га настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину,даже если их разделяют огромные расстояния».
(Для экспериментов в области квантовой телепортации необхо-димы три объекта — А, В и С. Пусть В и С — сцепленные близне-цы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг отдруга, они все же остаются сцепленными. Пусть теперь В вступит вконтакт с А, который собственно является объектом телепортации.В « сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В.Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Такимобразом, С превращается в точную копию А.)
В области исследований квантовой телепортации наблюдаетсябольшой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университетав Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние в2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фото-ны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связан-ную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик,принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объектыбольших размеров, такие, как молекула, и будут телепортированыдо моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаютсятелепортации при использовании обозримых технологий».
Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда уче-ные из Национального института стандартов и технологий (NIST)телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основнымдостижением стало то, что они успешно запутали 3 атома бериллия исмогли перенести характеристики одного атома в другой.
Область практического применения квантовой телепортации по-тенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что
существует несколько проблем практического характера, препят-ствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожает-ся в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копийтелепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии.Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теорияотносительности действует даже для квантовой телепортации.(Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения всеже необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скоростисвета.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением дляквантовой телепортации выступает тот же фактор, который служитпрепятствием для создания квантовых компьютеров: рассматрива-емые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновениес окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполневероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первыйвирус.
При телепортации человеческого существа мы можем столк-нуться с другими проблемами. Браунштайн замечает: «На данныймомент ключевым является исключительно количество вовлеченнойинформации. Даже если мы будем использовать самые лучшие кана-лы связи, какие только можем себе представить, для передачи всейэтой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастомнашей Вселенной».
Волновая функция Вселенной
Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет,если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, ак целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз,как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предло-жил свое решение проблемы — существование волновой функцииВселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции,то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который дол-жен находиться за пределами Вселенной).
В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта вол-на, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружениячастицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень
молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно усамой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электронможет существовать во многих состояниях одновременно и посколь-ку Вселенная была по размерам меньше электрона, то, возможно,Вселенная также существовала одновременно во многих состояни-ях, что и описывала сверхволновая функция.
Это вариация теории многих миров: не нужно вводить косми-ческого наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядомвсю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно от-личается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функцииШрёдингера в каждой точке пространства-времени существует вол-новая функция. Вместо \(/-функции Шрёдингера, которая описываетвсе возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую у-функ-цию, которая представляет все возможные состояния Вселенной.В обычной квантовой механике электрон существует в обычномпространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волноваяфункция существует в «сверхпространстве», пространстве всех воз-можных вселенных, введенном Уилером.
Эта главная волновая функция (родительница всех волновыхфункций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое рабо-тает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера — деВитта, которое применимо для всех возможных вселенных. В на-чале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешитьволновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятнойвселенной была та, где космологическая константа стремилась кнулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опира-лась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг предста-вил эту сумму, включив в нее червоточины-порталы, соединяющиенашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьтесебе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и со-единенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потомсложите их все вместе.)
В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозногометода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселен-ных математически недостоверна, во всяком случае до тех пор, покау нас нет «теории всего», которой мы могли бы руководствоваться.
Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзяполагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, чер-воточин-порталов, момента Большого Взрыва и волновых функцийВселенной.
Однако сегодня множество физиков верит в то, что мы наконецнашли теорию всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы:это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность«узреть замысел Господень», как считал Эйнштейн?
ГЛАВА 7
М-теория: мать всех струн
Тому, кто смог бы охватить Вселенную единым взором, все творение показалось бы уникальной истиной и необходимостью.
Ж. ДАламбер
Я чувствую, что мы настолько близко подобрались к теории струн, что — в моменты оптимистического подъема -— я вижу, что в любой день окончательная форма этой теории может свалиться с неба прямо на колени кому-нибудь. Но если подходить с более реалистичной точки зрения, то я чувствую, что мы находимся в процессе создания намного более глубокой теории, чем все, с чем мы когда-либо имели дело, и уже в глубинах XXI века, когда я буду слишком стар, чтобы у меня появлялись какие-либо полезные соображения по этому предмету, более молодым физикам придется решать, в самом ли деле мы нашли окончательную теорию.
Эдвард Виттен
К
лассический роман Герберта Уэллса «Человек-невидимка», на-писанный в 1897году, начинается со странной истории. В холод-ный зимний день из тьмы выступает причудливо одетый незнакомец.Его лица не видно; на нем очки с темно-синими стеклами, а лицополностью закрыто белой повязкой.
Поначалу обитатели деревни испытывали жалость к новопри-бывшему, думая, что он пострадал в результате ужасного несчастногослучая. Но затем в деревне начали происходить странные вещи.В один прекрасный день хозяйка гостиницы, в которой остановился
незнакомец, зашла в его пустую комнату и закричала при виде одеж-ды, которая двигалась по комнате сама по себе. Шляпы кружились покомнате, постельное белье подпрыгивало в воздухе, стулья двигались,а «мебель сошла с ума», в ужасе вспоминала хозяйка.
Вскоре уже вся деревня полнится слухами об этих необычныхявлениях. В конце концов собирается группа сельских жителей ивстречается с таинственным незнакомцем лицом к лицу. К их велико-му изумлению, он начинает медленно разворачивать свою повязку.Толпа в ужасе. Когда человек снимает повязку, оказывается, что у негонет лица. В сущности, он невидим. Люди кричат и визжат, воцаряетсяхаос. Обитатели деревни пытаются поймать человека-невидимку,который с легкостью отражает их нападение.
Совершив ряд незначительных преступлений, человек-невидим-ка разыскивает своего старого знакомого, чтобы поведать ему свою удивительную историю. Его настоящее имя — мистер Гриффин изУниверситетского Колледжа. Он начал изучать медицину и случайнообнаружил совершенно новый способ изменить свойства преломле-ния и отражения плоти. Его секрет — четвертое измерение. Он вос-клицает, обращаясь к доктору Кемпу: «Я нашел основной принцип...формулу, геометрическое выражение, в котором задействованы всечетыре измерения».
К сожалению, вместо того, чтобы обратить свое великое откры-тие на пользу человечеству, все свои мысли мистер Гриффин обратилк грабежу и личной выгоде. Он предлагает своему другу стать его со-общником, заявляя, что вместе они смогут разграбить мир. Но другповергнут в ужас; он раскрывает местонахождение Гриффина по-лиции. За этим следует финальная охота на человека, в ходе которойчеловек-невидимка получает смертельные раны.
Как и все научно-фантастические романы, история ГербертаУэллса не лишена научного зерна. Любой, кто сможет пробраться вчетвертое пространственное измерение (или то, что сегодня назы-вают пятым измерением, поскольку время является четвертым), дей-ствительно способен стать невидимым и даже обрести силы, обычноприписываемые призракам и божествам. Представьте на секунду,что двумерная поверхность стола может быть населена расой мифи-ческих существ, как в романе 1884 года Эдвина Эббота «Плоскаястрана» («Флатляндия»). Они занимаются своими делами и даже
не подозревают о том, что их окружает целая Вселенная, третье из-мерение.
Но если бы ученый Плоской страны мог поставить эксперимент,который позволил бы ему зависнуть в нескольких сантиметрах надповерхностью стола, то он бы стал невидимым, поскольку свет про-ходил бы под ним, как если бы он не существовал вовсе. Паря надПлоской страной, он мог бы наблюдать, как внизу под ним развора-чиваются события на крышке стола. В парении в гиперпространствеесть решительные преимущества, поскольку любой, кто взирал бы нанаш мир из гиперпространства, обрел бы божественную силу.
Не только свет проходил бы под ним, делая его невидимым. Онтакже мог бы перескакивать через предметы. Иными словами, он могбы исчезать по собственному желанию и проходить сквозь стены.Выскочив в третье измерение, он мог бы просто раствориться, ис-чезнуть из двумерной Вселенной. А если бы он прыгнул обратно накрышку стола, то рематериализовался бы ниоткуда. В его силах былобы убежать из любой темницы. Тюрьма в Плоской стране была быкругом, нарисованным вокруг заключенного, так что было бы не-сложно просто выпрыгнуть в третье измерение и выйти на свободу.
Скрыть что-либо от такого гиперсущества было бы невозможно.Золото, спрятанное в тайнике, из точки наблюдения в третьем из-мерении найти было бы легче легкого, поскольку сам тайник был бывсего лишь открытым прямоугольником. Было бы детской забавойпроникнуть внутрь прямоугольника и забрать золото, даже не вла-мываясь в тайник. Стало бы возможным совершать хирургическиеоперации, в ходе которых не было бы нужды даже разрезать кожу.
Так Герберт Уэллс хотел донести до читателя идею о том, что вчетырехмерном мире мы — обитатели Плоской страны. Мы незнаем о том факте, что над нами раскрываются более высокие планыбытия. Мы верим, что наш мир состоит из всего, что мы видим; нами невдомек, что прямо у нас перед носом могут существовать целыевселенные. Хотя другая вселенная могла бы парить в четвертом из-мерении всего лишь в нескольких сантиметрах над нами, она была быневидимой.
Поскольку гиперсущество обладало бы сверхчеловеческимиспособностями, обычно приписываемыми призракам и духам, вдругом научно-фантастическом произведении Герберт Уэллс задался
вопросом о том, могут ли сверхъестественные существа обитать вдополнительных измерениях. Он поднял ключевой вопрос о том, чтона сегодняшний день является предметом активных исследований иразмышлений: могут ли существовать в этих дополнительных изме-рениях новые законы физики? В его романе 1895 года под названием«Чудесное посещение» викарий ненароком попадает из ружья вангела, случайно пролетающего через наше измерение. По какой-токосмической причине наше измерение и параллельная вселеннаяна время столкнулись, что позволило ангелу свалиться в наш мир.В этом рассказе Уэллс пишет: «Бок о бок может существовать не-ограниченное количество трехмерных Вселенных». Викарий задаетвопросы раненому ангелу. Большим потрясением становятся длянего слова пришельца о том, что наши законы природы в мире ангелане действуют. Например, в другой вселенной нет плоскостей, а естьскорее цилиндры — настолько искривлено пространство. (За целыхдвадцать лет до того, как Эйнштейн создал общую теорию относи-тельности, Уэллс забавлялся мыслями о вселенных, существующих наискривленных поверхностях.) Как говорит викарий: «Их геометрияотличается от нашей, поскольку их пространство имеет кривизну,так что все их плоскости представляют собой цилиндры; их законтяготения не согласуется с законом обратных квадратов, а основныхцветов у них не три, а двадцать четыре». Прошло более века с техпор, как Уэллс написал эту историю, и сегодня физики понимают,что в параллельных вселенных и вправду могут существовать новыезаконы физики с разным набором субатомных частиц, атомов и хи-мических взаимодействий. (Как мы увидим в главе 9, сейчас проходитнесколько экспериментов, цель которых — уловить присутствиепараллельных вселенных, которые, возможно, парят прямо над нашейВселенной.)
Концепция гиперпространства интриговала художников, му-зыкантов, мистиков, теологов и философов; особенно сильно этопроявилось в начале XX века. По словам искусствоведа ЛиндыДалримпл, интерес Пабло Пикассо к четвертому измерению повлиялна создание кубизма. (Глаза нарисованных им женщин смотрят прямона нас, несмотря на то что носы женщин направлены в стороны, чтопозволяет нам видеть этих женщин полностью. Подобным образомгиперсущество, взирающее на нас сверху, увидит нас во всей полноте:
спереди, сзади и с боков одновременно.) На своей известной картине«Christus Hypercubus» Сальвадор Дали изобразил Иисуса Христараспятым на фоне развернутого четырехмерного гиперкуба, илитессеракта. На картине «Постоянство памяти» Дали попыталсяпередать идею времени как четвертого измерения с помощью изо-бражения мягких, растаявших часов. На картине Марселя Дюшана«Обнаженная, спускающаяся по лестнице (№2) » мы видим обнажен-ную фигуру в замедленном движении, спускающуюся по лестнице.На этом полотне представлена еще одна попытка поймать четвертоеизмерение — время — с помощью двумерной плоскости.
М-теория
Сегодня загадки и верования, окружающие четвертое измерение,воскресли по причине совершенно иного характера — развития те-ории струн и ее последнего воплощения — М-теории. Историческисложилось так, что физики упорно не принимали концепцию гипер-пространства; они смеялись, говоря, что дополнительные измере-ния -— это специализация мистиков и шарлатанов. Ученые, всерьезпредполагавшие существование невидимых миров, подвергалисьнасмешкам.
С приходом М-теории все изменилось. Высшие измеренияпризывают к революции в физике, поскольку физики вынужденыбороться с величайшей проблемой, стоящей сегодня перед их на-укой, — пропастью, разделяющей теорию относительности и кван-товую механику. Что замечательно, обе эти теории вобрали в себявсе фундаментальные физические знания о Вселенной. В настоящеевремя только М-теория способна объединить эти две великие, на видпротиворечивые теории Вселенной в связное целое; только М-тео-рия способна создать « теорию всего ». Из всех предложенных в про-шедшем веке теорий единственным кандидатом, способным «узретьБожий замысел», как сказал Эйнштейн, является М-теория.
Только в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве у нас«достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодей-ствия в единую изящную теорию. Такая удивительная теория сможетответить на извечные вопросы: «Что произошло еще до начала?Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие изме-
рения перенести нас через Вселенную?» (Хотя критики совершенносправедливо указывают на то, что проверка этой теории находится;за пределами наших экспериментальных возможностей, в настоящеевремя планируется ряд экспериментов, которые могут изменить этуситуацию, — о них мы поговорим в главе 9.)
В течение последних пятидесяти лет все попытки создания дей-ствительно единого описания Вселенной заканчивались позорнымпровалом. На концептуальном уровне это понять несложно. Общаятеория относительности и квантовая теория диаметрально противо-положны друг другу практически во всех отношениях. Общая:теория относительности — это теория очень большого: черныхдыр, Больших Взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Онаоснована на математике гладких поверхностей, таких, как простынии батуты. Квантовая теория в точности противоположна — онаописывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами икварков. В основе ее лежит теория отдельных пучков энергии, назы-ваемых квантами. В отличие от теории относительности, квантоваятеория утверждает, что вычислить можно только вероятность со-бытий, так что мы никогда точно не узнаем, где находится электрон.В этих двух теориях все различно — математические подходы, допу-щения, физические принципы и области применения. Не удивитель- ,но, что все попытки объединения их заканчивались провалом.
Физики-гиганты — Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг,Вольфганг Паули и Артур Эддингтон — вслед за Эйнштейном тожепробовали свои силы в создании единой теории поля, и все онипотерпели неудачу. В 1928 году Эйнштейн ненамеренно вызвал мас-совое волнение в прессе, выдвинув раннюю версию своей единойтеории поля. «Нью-Йорк тайме» даже опубликовала отрывки из егоработы, в том числе и уравнения. Более сотни репортеров роилосьвокруг дома Эйнштейна. Эддингтон из Англии писал Эйнштейну:«Вас, возможно, позабавит известие о том, что в витрине одного изнаших самых больших универмагов в Лондоне (Селфриджиз) вы-весили Вашу работу (шесть склеенных в ряд страниц), так что про-хожие могут прочесть ее от начала до конца. Возле нее собираютсятолпы народа».
В 1946 году Шрёдингер тоже заразился этой идеей и создал, какон полагал, эту уже мифическую единую теорию поля. Он спешно
совершил довольно необычный для своего (но не для нашего) време-ни поступок — созвал пресс-конференцию. Даже премьер-министрИрландии Имон де Валера присутствовал на этой конференции.Когда Шрёдингера спросили, насколько он уверен в том, что ухватилнаконец суть единой теории поля, он ответил: «Я считаю, что прав.Я буду выглядеть ужасно глупо, если это не так». (Об этой пресс-конференции стало известно «Нью-Йорк тайме», и она отправиларукопись Эйнштейну и другим ученым, чтобы те прокомментирова-ли ее. К несчастью, Эйнштейн увидел, что Шрёдингер заново открылстарую теорию, которую он предложил многие годы назад и сам же ееотбросил. Ответ Эйнштейна был очень вежлив, но все же Шрёдингербыл унижен.)
В1958 году Джереми Бернштейн посетиллекцию в Колумбийскомуниверситете, где Вольфганг Паули представлял свою версию единойтеории поля, которую он разработалвместе с Вернером Гейзенбергом.Нильса Бора, также присутствовавшего на этой лекции, она не очень-то впечатлила. В конце концов Бор поднялся и сказал: «Мы на галеркеубеждены, что ваша теория безумна. Но что нас разделяет, так это во-прос о том, достаточно ли безумна ваша теория».
Паули тут же понял, что Бор имел в виду: теория Гейзенберга-Паули была слишком традиционной, слишком заурядной, чтобыстать единой теорией поля. Чтобы «узреть замысел Божий», понадо-билось бы привлечение радикально новых математических подходови идей.
Многие физики уверены, что за всем стоит простая, изящная иубедительная теория, которая, тем не менее, достаточно безумна иабсурдна, чтобы быть правдой. Джон Уилер из Принстона отмечаеттот факт, что в XIX веке перспектива объяснить невероятное раз-нообразие жизненных форм на Земле представлялась безнадежной.Но затем Чарльз Дарвин предложил теорию естественного отбора,и одна-единственная теория предоставила всю архитектуру для объ-яснения происхождения и разнообразия жизни на Земле.
Лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг приводит ещеодну аналогию. После Колумба карты, составленные в результатеотважных путешествий первых европейских исследователей, явноуказывали на существование «Северного полюса», но непосред-ственного доказательства его существования не было. Поскольку на
всех картах Земли был огромный пробел как раз в том месте, где, по-видимому, находился Северный полюс, ранние исследователи про-сто предположили его существование, несмотря на то что ни одиниз них не бывал на нем. Подобным образом физики нашего времениобнаруживают массу доказательств, указывающих на то, что теориявсего должна существовать, хотя в данный момент ученые еще непришли к консенсусу о том, какова же эта конечная теория.
История струнной теории
Теория, которая совершенно явно «достаточно безумна», чтобыбыть истинной теорией поля, — это струнная теория, или М-теория.История струнной теории, возможно, самая причудливая из всех, чтозначатся в анналах физики. Она была открыта совершенно случайно,применена к решению не той проблемы, предана забвению и внезап-но возродилась в качестве теории всего. И в конечном счете, посколь-ку небольшие поправки невозможны без уничтожения всей теории,ей предстоит стать либо «теорией всего», либо «теорией ничего».
Причиной столь странной истории струнной теории являетсяее развитие вспять. Обычно в такой теории, как теория относитель-ности, начинают с основных физических принципов. Затем этипринципы сводятся к набору основных классических уравнений.В последнюю очередь вычисляют квантовые флуктуации для этихуравнений. Развитие струнной теории происходило в обратном на-правлении, начавшись со случайного открытия ее квантовой теории.И по сей день физики ломают голову над тем, какие физические прин-ципы могут приводить в действие всю эту теорию.
Рождение струнной теории восходит к 1968 году, когда в ядер-ной лаборатории Европейской организации ядерных исследова-ний (CERN) в Женеве два молодых физика Габриэле Венециано иМахико Сузуки листали книгу по математике и наткнулись на бета-функцию Эйлера, малоизвестную математическую формулу, откры-тую в XVIII веке Леонардом Эйлером, которая, казалось, страннымобразом описывала субатомный мир. Венециано и Сузуки былиошеломлены, увидев, что эта абстрактная математическая формула,по всей видимости, описывала столкновение двух я-мезонных частицпри невероятно высоких энергиях. Модель Венециано вскоре про-
извела сенсацию в физике; буквально в сотнях работ исследователипытались обобщить ее для описания ядерных взаимодействий.
Иными словами, струнная теория была открыта совершенно слу-тайно. Эдвард Виттен из Института передовых исследований (кото-рого многие считают творческим мотором многих ошеломительныхпереворотов в этой теории) сказал: «По справедливости говоря, уфизиков XX века не должно было бы быть привилегии изучать этутеорию. По справедливости говоря, струнная теория не должна былабыть изобретена».
Я ясно помню переполох, вызванный струнной теорией. Я в товремя был еще аспирантом-физиком в Калифорнийском универси-тете в Беркли. Помню, как физики качали головами и утверждали, чтофизика не должна была идти таким путем. В прошлом физика обычноосновывалась на скрупулезных наблюдениях за природой, форму-лировании какой-либо частной гипотезы, внимательной проверкисоответствия теории экспериментальным данным, а затем скучногоповторения процесса, и так раз за разом. Струнная же теория основа-на на получении ответа методом простой догадки. Прежде считалось,что такие захватывающие прорывы невозможны.
Поскольку субатомные частицы нельзя разглядеть даже при помо-щи наших мощнейших инструментов, физики прибегли к жестокому,йо эффективному методу их анализа — сталкивании их при огром-ных энергиях. Миллиарды долларов были пущены на сооружениеогромных «ускорителей частиц» диаметром во много километров.В них создаются пучки субатомных частиц, сталкивающихся друг сдругом. Затем физики тщательно анализировали, что осталось послестолкновения. Целью этого трудоемкого и напряженного процессаявляется создание ряда чисел, называемого матрицей рассеяния, илиS-матрицей. Этот набор чисел имеет ключевое значение, посколькув нем закодирована вся информация субатомной физики, — то естьели знать S-матрицу, то можно вывести из нее все свойства элемен-тарных частиц.
Одной из задач физики элементарных частиц является прогно-зирование математической структуры S-матрицы для сильных вза-имодействий — цель настолько трудно достижимая, что некоторыефизики считали, что она лежит за пределами известной физики. Тутуже можно представить сенсацию, которую произвели Венециано и
Судзуки, просто-напросто догадавшиеся об S-матрице, просматри-вая математическую книжку.
Модель Венециано была совершенно нестандартной. Обычно,когда кто-либо предлагает новую теорию (такую, как, допустим, квар-ки), физики вертят эту теорию, изменяя простые параметры (массычастиц или, скажем, силы взаимодействия). Но модель Венецианобыла настолько хорошо пригнана, что даже малейшее нарушение ееосновной симметрии разрушало всю формулу. Эту модель можносравнить с изделием из хрусталя тонкой работы: при любой попыткеизменить его форму он разобьется вдребезги.
Из сотен работ, которые банально изменяли параметры модели,тем самым разрушая ее красоту, ни одна не продержалась до сегод-няшнего дня. Сохранилась память лишь о работах, авторы которыхзадавались вопросом о том, почему вообще работает эта теория.Иными словами, они пытались обнаружить ее симметрии. В концеконцов физики поняли, что эта теория вообще не содержит настраи-ваемых параметров.
Как ни замечательна была модель Венециано, все же и в ней кры-лись кое-какие проблемы. Во-первых, физики поняли, что это быловсего лишь первое приближение к окончательной S-матрице, а неполная картина. Бундзи Сакита, Мигель Вирасоро и Кейджи Киккава(в те времена в Университете Висконсина) поняли, что S-матрицунужно рассматривать как бесконечный ряд элементов и что модельВенециано была всего лишь первым и самым важным элементом в этомряду. (Грубо говоря, каждый элемент в ряду представлял собой опреде-ленное количество вариантов столкновения частиц друг с другом.Они выработали несколько правил, при помощи которых можно былопостроить высшие элементы в их приближении. В своей диссертациия твердо решил завершить эту программу и создать все возможныепоправки к модели Венециано. Вместе с коллегой Л. П. Ю я вычислилбесконечный набор поправочных элементов к этой модели.)
В конце концов Йоитиро Намбу из Чикагского университетаи Тэцуо Гото из Японского университета определили ключевуюхарактеристику, которая приводила модель в действие. Этой харак-теристикой оказалась вибрирующая струна. (В этом направлениитакже работали Леонард Зюскинд и Хольгер Нильсен.) Когда струнасталкивалась с другой струной, создавалась S-матрица, описанная в
модели Венециано. В таком представлении каждая частица есть нерто иное, как вибрация, или нота, взятая на струне. (Я подробнее об-ращусь к этому понятию позднее.)
I Развитие теории проходило очень стремительно. В 1979 годуДжон Шварц, Андре Неве и Пьер Рамон обобщили струнную модельТаким образом, что она включала в себя новый параметр — спин, —hrro делало струнную модель подходящей кандидатурой и для взаи-модействий частиц. (Как мы увидим далее, все субатомные частицывертятся подобно волчку. Спин для каждой субатомной частицы:может быть представлен как целым числом (0,1,2), так и полуцелым(1/2, 3/2). Что примечательно, струна Неве-Шварца-Рамона давалаименно этот набор спинов.)
И все же я был не удовлетворен. Двойная резонансная модель,как тогда ее называли, представляла собой скопление странныхформул и практических методов. В течение последних 150 лет всяфизика основывалась на «полях», которые были впервые введеныбританским физиком Майклом Фарадеем. Представьте себе линииМагнитного поля, создаваемого магнитом. Эти линии пронизываютпространство подобно паутине. В любой точке пространства можноизмерить напряженность и направления силовых магнитных линий.Подобным образом и поле является математическим объектом,который приобретает различные значения в каждой точке простран-ства. Таким образом, поле определяет магнитное, электрическоеили ядерное взаимодействие в любой точке Вселенной. Поэтомуфундаментальное описание электричества, магнетизма, ядернойсилы и гравитации основано на полях. Почему струны должны бытьЧем-то другим? От «полевой теории струн» требовалось, чтобы онадала возможность подвести итог всему содержанию теории в одном-единственном уравнении.
В 1974 году я решил заняться этим вопросом. Вместе с коллегойКейджи Киккавой из Университета Осаки нам удалось вывестисамую суть полевой теории струн. Мы смогли суммировать всю ин-формацию, содержащуюся в струнной теории, в уравнении длинойменее четырех сантиметров[Ч Теперь, когда полевая теория струнбыла сформулирована, необходимо было убедить физическое со-общество в ее силе и красоте. Я принял участие в конференции потеоретической физике в Аспенском центре в Колорадо тем же летом
и провел семинар с небольшой группой ведущих физиков. Я поряд-ком нервничал: среди слушателей были два нобелевских лауреата,Марри Гелл-Манн и Ричард Фейнман, которые славились тем, чтолюбили задавать едкие и остроумные вопросы, заставляя ораторанервничать. (Однажды во время лекции, которую проводил СтивенВайнберг, он начертил на доске угол, отмеченный буквой W, кото-рый был назван углом Вайнберга в его честь. Фейнман задал вопросо том, что означала буква W Вайнберг еще только начал отвечать,как Фейнман крикнул: «Неверно!», что вызвало смех в зале. Что же,может быть, Фейнман и развлек слушателей, но последним смеялсявсе же Вайнберг. Угол на доске представлял важную часть теорииВайнберга, объединившей электромагнитное и слабое взаимодей-ствие и в конечном итоге принесшей ему Нобелевскую премию.)
В ходе своей лекции я подчеркнул тот факт, что струнная теорияполя представила бы наиболее простой и всесторонний подход кструнной теории, в значительной степени представлявшей собойразношерстное скопление разрозненных формул. При помощиструнной теории поля всю теорию можно было суммировать водном-единственном, не очень длинном уравнении: все свойствамодели Венециано, все элементы бесконечной аппроксимации воз-мущения, все свойства колеблющихся струн — все можно быловывести из уравнения, которое поместилось бы в китайском печеньес предсказаниями. Я обратил внимание на симметрии струнной тео-рии, которые придавали ей прелесть и силу. Когда струны движутся впространстве-времени, они описывают двумерные поверхности, по-хожие на полоски. Эта теория остается неизменной вне зависимостиот координат, которыми мы можем пользоваться для описания этогодвумерного пространства. Я никогда не забуду, как после лекции комне подошел Фейнман и сказал: «Я не во всем могу согласиться свами по поводу струнной теории, но лекция, прочитанная вами, —одна из самых красивых, которые я когда-либо слышал».
Десять измерений
Сразу после появления струнной теории ее начали активно разраба-тывать, снимая с нее покров тайны. Клод Лавлейс из УниверситетаРутгерс обнаружил в модели Венециано крошечный математический
изъян, исправить который можно было только в том случае, еслиПредположить, что пространство-время обладает 26 измерениями.Подобным образом и суперструнная модель Неве, Шварца и РамонаМогла существовать только в десяти измерениях. Физиков это шо-кировало. Такого наука не видела за всю свою историю. Нигде большемы не встретим теории, которая определяет количество измеренийсама для себя. Например, теории Ньютона и Эйнштейна могут бытьсформулированы для любого числа измерений. Знаменитый законтяготения, построенный на обратных квадратах, можно обобщитьв законе обратных кубов для четырех измерений. Что же касаетсяструнной теории, то она могла существовать только в особых из-мерениях.
Спрактическойточкизренияэтобылокатастрофой.Общепринятобыло считать, что наш мир существует в трех пространственных из-мерениях (длина, высота и ширина) и одном временном. Принятьтеорию, основанную на десяти измерениях, значило признать, что онаграничит с фантастикой. Струнные теоретики превратились в объектнасмешек. (Джон Шварц вспоминает, как он ехал в лифте с РичардомФейнманом, который в шутку сказал: «Ну что, Джон, и в скольких
измерениях вы живете сегодня?») Как струнные физики ни пыта-
лись спасти модель от краха, она все же довольно быстро скончалась.
Только самые упорные продолжили работу над струнной теорией в
тот период, и они были весьма немногочисленны.
Двоими из тех, кто продолжил работу над струнной теорией вте унылые годы, были Джон Шварц из Калифорнийского техноло-гического института и Джоэл Шерк из Высшей технической школыв Париже. До того времени предполагалось, что струнная модельсоздана для описания только сильных ядерных взаимодействий. Нобыла одна проблема: модель предсказывала существование частицы,которая не встречалась в сильных взаимодействиях, — любопытнойчастицы с нулевой массой, обладающей двумя квантовыми едини-цами спина. Ни одна из попыток избавиться от этой надоедливойчастицы не увенчалась успехом. Каждый раз, когда ученые пыталисьисключить эту нежелательную частицу со спином 2, вся модельразрушалась и теряла свои волшебные свойства. Казалось, в этойнежелательной частице каким-то образом содержался секрет всеймодели.
Затем Шерк и Шварц выдвинули дерзкое предположение. Воз-можно, изъян на самом деле был благословением. Если они интер-претировали эту назойливую частицу со спином в 2 как гравитон(квант гравитации из теории Эйнштейна), то тогда оказывалось, чтострунная теория включала в себя теорию гравитации Эйнштейна!(Иными словами, общая теория относительности Эйнштейна про-сто выглядит как самая низкая вибрация или нота суперструны.) Поиронии судьбы, в то время как в других квантовых теориях физикиусиленно пытаются не допускать никакого упоминания о гравитации,струнная теория просто-напросто требует ее присутствия. (В сущ-ности, это одна из привлекательных сторон струнной теории — онадолжна включать гравитацию, иначе теория окажется противоре-чивой.) После этого отважного рывка ученые поняли, что струннаятеория была неверно применена к неверной проблеме. Струннойтеории предстояло стать не просто теорией сильных ядерных взаимо-действий — ей было предначертано стать теорией всего. Как отметилВиттен, привлекательной стороной струнной теории является то, чтоона требует присутствия гравитации. В то время как в стандартныетеории поля десятилетиями не удавалось включить гравитацию, вструнной теории она неотъемлемый элемент.
Однако на конструктивную идею Шерка и Шварца в то времяникто не обратил внимания. Для того чтобы струнная теория опи-сывала как гравитацию, так и субатомный мир, требовалось, чтобыструны были длиной всего лишь в 10-33 см (длина Планка). Инымисловами, они были в миллиард миллиардов раз меньше протона. Длябольшинства физиков это было чересчур.
Однако к середине 1980-х годов все другие попытки созданияединой теории поля потерпели неудачу. Те теории, которые наивнопытались присоединить гравитацию к Стандартной модели, утопалив болоте бесконечностей (вскоре я поясню эту проблему). Каждыйраз, когда ученые пытались искусственным образом соединитьгравитацию с другими квантовыми силами, это приводило к появле-нию математических противоречий, которые убивали всю теорию.(Эйнштейн считал, что у Бога, возможно, не было выбора при соз-дании Вселенной. Одной из причин тому может быть факт, что лишьодна-единственная теория свободна от всех этих математическихпротиворечий.)
Существовало два вида математических противоречий. Пер-вый — это проблема бесконечностей. Обычно квантовые флуктуа-ции чрезвычайно малы. Квантовые эффекты, как правило, оказываютсамое незначительное воздействие на законы движения Ньютона.Именно поэтому мы можем не обращать на них внимания в нашеммакроскопическом мире — ведь они слишком малы, чтобы быть за-меченными. Однако когда мы превращаем гравитацию в квантовуютеорию, эти квантовые флуктуации становятся, в сущности, бес-конечными, а это полный абсурд. Второе математическое противо-речие относится к «аномалиям», небольшим отклонениям в кванто-вой теории, которые возникают при добавлении в теорию квантовыхфлуктуации. Эти аномалии нарушают первоначальную симметриютеории и лишают ее тем самым первоначальной силы.
Представьте, к примеру, конструктора ракеты: он должен создатьгладкий обтекаемый летательный аппарат, который сможет пройтисквозь атмосферу. Чтобы уменьшить трение воздуха и лобовое со-противление, ракета должна быть строго симметричной (в этомслучае цилиндрически симметричной, то есть не изменять форму,если вращать ее вокруг оси). Такая симметрия называется 0(2). Носуществуют две потенциальные проблемы. Во-первых, посколькуракета движется с огромной скоростью, в ее крыльях может начатьсявибрация. Как правило, при полетах на дозвуковых скоростях такиевибрации очень незначительны. Однако при полетах на сверхзвуко-вых скоростях эти отклонения могут возрасти и в конечном итогепривести к тому, что крыло оторвется. Подобные противоречиянеотступно преследуют любую квантовую теорию гравитации^101Обычно они настолько малы, что их можно не принимать в расчет, нов квантовой теории гравитации они все расстраивают.
Второй проблемой является то, что в корпусе ракеты могутостаться крошечные трещины. Эти изъяны нарушают изначальнозадуманную симметрию ракеты О(2). Как бы ни были малы этитрещины, они могут расшириться и в конце концов стать причинойразрушения всего корпуса. Подобным образом такие «трещины»убивают.симметрии теории гравитации.
Существует два способа решения проблемы. Первый заключает-ся в том, чтобы найти решение с помощью «пластыря». Этот подходможно сравнить с заклеиванием трещин и укреплением крыльев при
помощи палок в надежде, что ракета не взорвется и ее не разорвет начасти в атмосфере. Исторически физики предпочитали именно этотподход в своих попытках соединения квантовой теории с гравита-цией. Они пытались замести эти две проблемы под половик. Второйспособ состоит в том, чтобы начать все сначала, с новой формой иновыми экзотическими материалами, которые могут выдержать на-грузки межзвездных полетов.
В течение нескольких десятилетий физики пытались «зашто-пать» квантовую теорию гравитации, но в результате сталкивалисьс безнадежно огромным количеством новых противоречий и ано-малий. Постепенно они поняли, что выход заключается в том, чтобыотбросить возможное решение проблемы при помощи «пластыря»и принять принципиально новую теорию^Ч
Струнная теория выходит в свет
В 1984 году отношение к струнной теории совершенно измени-лось. Джон Шварц из Калтеха и Майк Грин, тогда работавший вКолледже Королевы Марии в Лондоне, показали, что она лишенавсех противоречий, которые заставили ученых отбросить так многотеорий. Физикам было уже известно, что струнная теория свободнаот математических противоречий. Но Шварц и Грин показали, чтоона также свободна от аномалий. В результате струнная теория сталаведущим (и на сегодняшний день единственным) претендентом нароль теории всего.
Совершенно неожиданно теория, которую считали полностьюмертвой, возродилась. Из «теории ничего» струнная теория пре-вратилась в теорию всего. Множество физиков бросились читатьработы по струнной теории. Из исследовательских лабораторийвсего мира поползла лавина работ, посвященных струнной теории.Старые работы, которые раньше пылились в библиотеках, внезапностали самыми животрепещущими новинками в физике. Теория опараллельных вселенных, которая до того считалась слишком абсурд-ной, чтобы содержать в себе истину, теперь стала в физическом мирепризнаваться достаточно безумной, чтобы быть истинной. Этомупредмету теперь посвящаются сотни конференций и буквально де-сятки тысяч работ.
(Временами события выходили из-под контроля, потому чтонекоторые физики подхватили «нобелевскую лихорадку». На об-ножке журнала «Дискавер» (Discover) в августе 1991 года красовалсясенсационный заголовок: «Новая теория всего: физик берется зарешение последней космической загадки». В статье приводилисьслова одного физика, который гнался за славой. «Мне нечегоскромничать. Если это сработает, то за это положена Нобелевскаяпремия», — хвастал он. В ответ на возражение о том, что струннаятео.рия находится только в стадии становления, он выпалил: «СамыеВажные фигуры в струнной теории говорят, что понадобится четыресотни лет на то, чтобы доказать существование струн, но я бы пред-ложил им заткнуться».)
Золотая лихорадка была в самом разгаре.
В скором времени возникла ответная реакция на этот триум-фальный выход в свет струнной теории. Один физик из Гарварда спренебрежением говорил, что струнная теория вовсе не являетсяфизической теорией, а есть на самом деле не что иное, как одно изнаправлений чистой математики, или философии, или даже религии.Нобелевский лауреат Шелдрн Глэшоу из Гарварда возглавлял обвине-ние, сравнивая повсеместное распространение струнной теории со«звездными войнами» (на создание которых затрачиваются огром-ные средства, но проверить которые невозможно). Глэшоу выразилсвoe удовольствие по поводу того, что так много молодых физиковзанимаются струнной теорией, поскольку, сказал он, таким образомони ему не докучают. Глэшоу попросили прокомментировать заяв-ление Виттена о том, что струнная теория может занять доминиру-ющее положение в физике на ближайшие полвека подобно тому, какквантовая механика лидировала на протяжении последних пятиде-сяти лет. Тот ответил, что струнная теория будет занимать такое желидирующее положение, как и теория Калуцы — Клейна (которуюон считает полным бредом) на протяжении последних пятидесятилет, что совсем не соответствует действительности. Он старался непускать в Гарвард ученых, работающих над струнной теорией. Нопоскольку следующее поколение физиков переметнулось на сторонуструнной теории, даже одинокий голос Нобелевского лауреата былвскоре заглушён. (С тех пор Гарвард пригласил на работу несколькихученых, работающих в области струнной теории.)
Космическая музыка
Эйнштейн однажды сказал, что если теория не представляет такойфизической картины, которая понятна даже ребенку, то она, скореевсего, бесполезна. К счастью, за струнной теорией стоит четкая фи-зическая картина — картина, основанная на музыке.
Согласно струнной теории, если бы у нас был сверхмощныймикроскоп и мы могли вглядеться в сердце электрона, то мы бы уви-дели вовсе не точечную частицу, а вибрирующую струну. (Струначрезвычайно маленькая — около длины Планка, которая составляетЮ-33 см, — в миллиарды миллиардов раз меньше протона, а потомувсе субатомные частицы выглядят как точки.) Если бы мы заделиэту струну, то характер вибрации изменился бы — электрон могбы превратиться в нейтрино. Заденьте струну снова — и он, воз-можно, превратится в кварк. В сущности, если задеть струну доста-точно сильно, то она могла бы превратиться в любую из известныхсубатомных частиц. Таким образом, струнная теория может легкообъяснить, почему существует так много субатомных частиц. Онипредставляют собой не что иное, как «ноты», которые можно сы-грать на суперструне. Для аналогии, на скрипичной струне нотыля, си или до-диез не являются основными. Просто, играя на струнеразличным способом, мы можем получить все ноты музыкальнойгаммы. Например, си-бемоль является не более основной, чем соль.Все они представляют собой лишь ноты, которые можно сыграть наскрипичной струне. Подобным образом, ни кварки, ни электроны неявляются основными частицами — основой является сама струна.В сущности, все субчастицы Вселенной можно рассматривать в ка-честве различных вибраций струны. «Гармонией» струны являютсязаконы физики.
Струны могут взаимодействовать путем расщепления и вос-соединения, создавая таким образом взаимодействия, которые мынаблюдаем в атомах между электронами и протонами. В общем, с по-мощью струнной теории мы можем воспроизвести все законы атом-ной и ядерной физики. «Мелодии», которые могут быть сыгранына струнах, соотносятся с законами химии. Всю Вселенную теперьможно рассматривать как необъятную струнную симфонию.
Струнная теория не только дает объяснение частиц квантовойтеории как музыкальных нот Вселенной, она также объясняет тео-рию относительности Эйнштейна: самая низкая вибрация струны,частица со спином «двойка» и нулевой массой, может интерпре-тироваться как гравитон — частица или квант гравитации. Если мыподсчитаем взаимодействия этих гравитонов, то в точности получимстарую добрую теорию гравитации Эйнштейна в квантовом виде,Двигаясь, расщепляясь и изменяя форму, струна налагает огромныеограничения на пространство-время. При анализе этих ограничениймы опять-таки приходим к старой доброй общей теории относитель-ности Эйнштейна. Таким образом, струнная теория четко объясняеттеорию Эйнштейна без ненужных дополнительных усилий. ЭдвардВиттен сказал, что если бы Эйнштейн не открыл теорию относитель-ности, то его теория была бы открыта как побочный продукт струн-ной теории. В каком-то смысле, общая теория относительностиявляется к ней бесплатным приложением.
Прелесть струнной теории состоит в том, что ее можно уподо-бить музыке. Музыка дает нам метафору, с помощью которой можнопонять природу Вселенной как на субатомном, так и на космическомуровне. Как когда-то написал великий скрипач Иегуди Менухин,«Музыка создает порядок из хаоса; ибо ритм придает единодушиеразобщенности; мелодия придает связность разрозненности; а гар-мония придает совместимость несовместимому».
Эйнштейн писал, что его поиски единой теории поля в конечномсчете позволят ему «узреть замысел Божий». Если струнная теорияверна, то мы увидим, что замысел Бога — это космическая музыка,резонирующая во всех десяти измерениях гиперпространства.Готфрид Лейбниц однажды сказал: «Музыка — это скрытые ариф-метические упражнения души, которая не ведает о том, что занима-ется вычислениями».
Исторически связь между музыкой и наукой установилась в V векедо н. э., когда греки-пифагорейцы открыли законы гармонии и свелиих к математике. Они обнаружили, что высота тона задетой струнылиры соотносится с ее длиной. Если длину струны лиры увеличи-вали вдвое, то тон становился на октаву ниже. Если длину струныуменьшали до двух третей, то тон менялся на квинту. Исходя из этих
данных, законы музыкальной гармонии могли быть сведены к точнымотношениям между числами. Неудивительно, что девизом пифаго-рейцев была следующая фраза: «Всё есть числа». Изначально онибыли так довольны полученным результатом, что попытались при-менить выведенные законы гармонии ко всей Вселенной. Однако всеих усилия были напрасны, поскольку такая задача отличалась чрезвы-чайной сложностью. И все же, работая со струнной теорией, физикив каком-то смысле возвращаются к мечте пифагорейцев.
Комментируя эту историческую связь, Джейми Джеймс однаждысказал: «Музыка и наука [когда-то] были настолько тесно связаны,что любого, кто предположил бы существование какого-либо корен-ного различия между ними, посчитали бы невеждой, [однако сегодня]любой, предположивший, что у них есть нечто общее, рискует по-казаться мещанином одной стороне и дилетантом — второй; и, чтосамое неприятное, обе группы сочтут его человеком, популяризиру-ющим их идеи».
Проблемы в гиперпространстве
Но если дополнительные измерения и вправду существуют в при-роде, а не только в чистейшей математике, то ученым, занимающимсяструнной теорией, придется заняться той же проблемой, что неот-ступно преследовала Теодора Калуцу и Феликса Клейна в 1921 году,когда они сформулировали первую теорию дополнительных измере-ний: где же находятся эти измерения?
Калуца,впрошломмалоизвестньгйматематик,написалЭйнштейнуписьмо, в котором предлагал переписать уравнения Эйнштейна при-менительно к пяти измерениям (одно измерение времени и четыреизмерения пространства). С математической точки зрения это ни-какой проблемы не представляло, поскольку уравнения Эйнштейнамогли быть легко переписаны для любого количества измерений.Но в письме содержалось поразительное замечание: если выделитьчетырехмерные части, содержащиеся в уравнениях, записанных дляпяти измерений, то мы автоматически, будто по волшебству, получимтеорию света Максвелла! Иными словами, если мы всего лишь до-бавим пятое измерение, то из уравнений Эйнштейна для гравитацииполучается теория электромагнитного взаимодействия Максвелла.
Хотя мы не можем видеть само пятое измерение, на его поверхностиобразуется рябь, которая соответствует световым волнам! Это былприятный результат, поскольку на протяжении последних 150 летцелым поколениям физиков и инженеров приходилось заучиватьсложные уравнения Максвелла. Сегодня эти сложные уравнения безвсяких усилий выводятся как простейшие вибрации, которые можнообнаружить в пятом измерении.
Представьте себе рыб, плавающих в мелком пруду прямо под лис-тьями кувшинок. Они считают, что их «вселенная» двумерна. Наштрехмерный мир может находиться за пределами их знания. Но суще-ствует способ, с помощью которого они могут уловить присутствиетретьего измерения. Если идет дождь, то они отчетливо видят теньволн ряби, расходящихся по поверхности пруда. Подобным образоми мы не можем видеть пятого измерения, но рябь в пятом измерениипредстает перед нами как свет.
(Теория Калуцы была прекрасным и глубоким открытием, каса-ющимся симметрии. Позднее было замечено, что если мы добавимеще больше измерений к прежней теории Эйнштейна и заставимих вибрировать, то тогда эти вибрации дополнительных измеренийбудут представлять W- и Z-бозоны и глюоны, обнаруженные в силь-ном и слабом ядерном взаимодействии! Если путь, предложенныйКалуцой, был верным, то Вселенная была явно намного проще, чемизначально предполагали ученые. Просто, вибрируя все «выше», из-мерения представляли многие взаимодействия, правящие миром.)
Хотя Эйнштейна потряс этот результат, он был слишком хорош,чтобы быть правдой. Спустя годы были обнаружены проблемы,которые сделали идею Калуцы бесполезной. Во-первых, его теориябыла усеяна противоречиями и аномалиями, что весьма типичнодля теорий квантовой гравитации. Во-вторых, тревожил гораздоболее важный физический вопрос: почему же мы не видим пятогоизмерения? Когда мы пускаем стрелы в небо, мы не видим, чтобы ониисчезали в другом измерении. Возьмем дым, который медленно про-никает во все области пространства. Поскольку никогда не было за-мечено, чтобы дым исчезал в высшем измерении, физики поняли, чтодополнительные измерения, если они вообще существуют, должныбыть меньше атома. За последнее столетие идеей о дополнительныхизмерениях развлекались мистики и математики; что же касается фи-
г
зиков, то они с пренебрежением относились к этой идее, посколькуникто и никогда не видел, чтобы предметы пропадали в пятом изме-рении.
Для спасения теории физикам пришлось предположить, что этидополнительные измерения настолько малы, что их нельзя наблюдатьв природе. Поскольку наш мир четырехмерен, это предполагало, чтопятое измерение должно быть свернуто в крошечный шарик раз-мером меньше атома — слишком маленький, чтобы его можно былонаблюдать в ходе эксперимента.
Струнной теории приходится сталкиваться с той же проблемой.Мы должны свернуть все эти нежелательные дополнительные изме-рения в крошечный шарик (этот процесс называется компактифи-кацией). Согласно струнной теории, изначально Вселенная была де-сятимерной, а все взаимодействия в ней были объединены струной.Однако десятимерное гиперпространство было неустойчивым, ишесть из десяти измерений начали сворачиваться в крошечный ша-рик, а остальные четыре расширились в Большом Взрыве. Причиной,по которой мы не видим эти другие измерения, является то, что онинамного меньше атома, а потому ничто не может в них проникнуть.(Например, садовый шланг и соломинка издалека кажутся одно-мерными объектами, основной характеристикой которых являетсяих длина. Но если рассмотреть их поближе, то мы обнаружим, чтоони, в сущности, являются двумерными поверхностями или цилин-драми, но второе измерение свернулось таким образом, что мы егоне видим.)
Почему струны?
Хотя все предыдущие попытки построить единую теорию поля стреском провалились, струнная теория до сих пор выдержала всеиспытания. В сущности, ей нет равных. Существуют две причины, покоторым струнная теория преуспела там, где все остальные теориипотерпели поражение.
Во-первых, будучи основанной на протяженном предмете (стру-не), струнная теория избегает многих отклонений, связанных сточечными частицами. Как заметил Ньютон, гравитационное взаи-модействие, окружающее точечную частицу, при приближении к ней
становится бесконечным. (В знаменитом законе обратных квадратовНьютона гравитационное взаимодействие увеличивается пропорци-онально зависимости 1/г2, так что оно стремится к бесконечности,когда мы приближаемся к точечной частице; то есть когда г стремит-ся к нулю, гравитационное взаимодействие возрастает и стремится к1/0, что представляет собой бесконечность.)
Даже в квантовой теории эта сила остается бесконечной, если мыприблизимся к квантовой точечной частице. За многие десятилетияФейнман и другие ученые создали ряд хитрых правил, с помощьюкоторых эти и многие другие противоречия можно было заместипод ковер. Но для того, чтобы исключить все бесконечности в кван-товой теории гравитации, недостаточно даже мешка ухищрений,собранного Фейнманом. Проблема в том, что точечные частицы бес-конечно малы, а это означает, что их силы и энергии потенциальнобесконечны.
Но при внимательном рассмотрении струнной теории мы увидим,что есть два способа, при помощи которых мы можем избавиться отэтих противоречий. Первый способ исходит из топологии струн, авторой из-за своей симметрии называется суперсимметрией.
Топология струнной теории носит совершенно другой характер,чем топология точечных частиц, а отсюда различны и возникающиепротиворечия. (Грубо говоря, поскольку струна обладает конечнойдлиной, это означает, что силы не стремятся к бесконечности приприближении к струне. Рядом со струной силы возрастают про-порционально зависимости 1 /L2, где L — это длина струны, соиз-меримая с длинной Планка, порядка 10"33 см. Эта длина L позволяетотсечь все противоречия.) Поскольку струна не является точечнойчастицей, обладая определенным размером, можно показать, чтопротиворечия «размазаны» вдоль всей струны, и отсюда все физи-ческие величины становятся конечными.
Хотя интуитивно кажется совершенно очевидным, что все про-тиворечия струнной теории «размазаны» и потому конечны, точноематематическое выражение этого факта довольно сложно и пред-ставлено «эллиптической модулярной функцией», одной из самыхстранных функций математики. Ее история настолько захватывающа,что ей даже довелось играть ключевую роль в одном из голливудскихфильмов. «Умница Уилл Хантинг» — это история о неотесанном
пареньке из рабочей семьи с окраин Кембриджа (его играл МэттДэймон), который демонстрировал потрясающие способности кматематике.
В сущности, фильм «Умница Уилл Хантинг» основан на жизниСринивазы Рамануджана, величайшего математического гения два-дцатого столетия. Он вырос в бедности и изоляции от основных на-учных достижений возле Мадраса в Индии на рубеже XIX и XX веков.Поскольку юноша жил в условиях оторванности от научного мира,ему пришлось до многого доходить самому, основываясь на европей-ской математике XIX века. Его карьера была подобна взрыву сверхно-вой, мимолетно осветившей небеса его математической гениальнос-тью. Его смерть была трагична: он умер от туберкулеза в 1920 году ввозрасте 37 лет. Подобно Мэтту Дэймону из фильма «Умница УиллХантинг», Рамануджан грезил математическими уравнениями, вданном случае эллиптической модулярной функцией: написаннаядля двадцати четырех измерений, она обладает причудливыми, нокрасивыми математическими свойствами. Математики и по сей деньпытаются расшифровать «утерянные записи Рамануджана», обна-руженные после его смерти. Оглядываясь на работу Рамануджана,мы видим, что ее можно обобщить и свести к восьми измерениям, ко-торые напрямую применимы к струнной теории. Физики добавляютеще два измерения для построения физической теории. (Например,создание поляризованных солнцезащитных очков основано на томфакте, что свет обладает двумя физическими поляризациями: он мо-жет вибрировать влево-вправо или вверх-вниз. Но математическаяформулировка света в уравнениях Максвелла представлена четырьмякомпонентами. Две из этих четырех вибраций, в сущности, лишние.)Если мы добавим еще два измерения к функциям Рамануджана, то«волшебными числами» математики становятся 10 и 26, которыеявляются «волшебными числами» и в струнной теории. Таким обра-зом выходит, что в каком-то смысле Рамануджан занимался струннойтеорией еще до Первой мировой войны!
Сказочные свойства этих эллиптических модулярных функцийобъясняют, почему теория должна существовать в десяти измере-ниях. Только в таком количестве измерений будто по волшебствуисчезает большая часть противоречий, наводняющих все остальные
теории. Но сама по себе топология струн не обладает достаточной«властью», чтобы исключить все эти противоречия. Остальныепротиворечия струнной теории устраняются при помощи второй еехарактеристики — суперсимметрии.
Суперсимметрия
В струне заключены некоторые величайшие симметрии, извест-ные науке. Обсуждая инфляционное расширение Вселенной иСтандартную модель в главе 4, мы видели, что симметрия предостав-ляет нам прекрасный способ организации субатомных частиц в при-ятные и изящные модели. Три типа кварков могут быть организованысогласно симметрии SU(3), которая позволяет кваркам менятьсямежду собой местами. В теории ТВО считается, что пять типов квар-ков и лептонов могли бы быть организованы согласно симметрииSU(5).
В струнной теории благодаря этим симметриям уходят оставши-еся противоречия и аномалии. Поскольку симметрии представляютсобой одно из наиболее прекрасных и мощных средств, имеющихсяв нашем распоряжении, то вполне можно было бы ожидать, чтотеория Вселенной должна обладать наиболее изящной и мощнойсимметрией, какая только известна науке. Логичной была бы сим-метрия, которая позволила бы менять местами не только кварки,но и все частицы, которые можно встретить в природе. Это зна-чит, что все уравнения должны оставаться неизменными, если мыизменим положение всех частиц относительно друг друга. Такойподход в точности описывает симметрия суперструны, называемаясуперсимметрией[12]. Это единственный вид симметрии, которыйпозволяет менять местами все известные физикам субатомные части-цы. Такая симметрия является идеальным претендентом на местосимметрии, которая организует все частицы Вселенной в единое,изящное целое.
Если рассматривать все взаимодействия и частицы Вселенной,то мы увидим, что, в зависимости от спина, все они делятся на двекатегории — «фермионы» и «бозоны». Они ведут себя как волчки,которые могут вращаться с различными скоростями. К примеру,
спин фотона, частицы, являющейся носителем электромагнитноговзаимодействия, равен единице. Гравитон, частица гравитации,имеет спин, равный двум. Все частицы, обладающие спином, выра-жающимся целым числом, называют бозонами. Подобным образом,частицы вещества описываются при помощи субатомных частиц,спин которых выражается полуцелыми значениями — 1/2, 3/2, 5/2и так далее. (Частицы с полуцелыми значениями спина называютфермионами. К ним относятся электрон, нейтрино и кварки.) Такимобразом, суперсимметрия изящно выражает дуализм, возникающиймежду бозонами и фермионами, между взаимодействиями и веще-ством.
В теории, основанной на суперсимметрии, у каждой частицы естьнапарник: каждый фермион находится в паре с бозоном. Хотя мы ни-когда не наблюдали этих суперсимметричных партнеров в природе,физики окрестили партнера электрона «сэлектроном», который об-ладает спином, равным нулю. (Физики добавляют «с» для описаниясуперпартнера какой-либо частицы.) Слабые взаимодействия вклю-чают в себя частицы, называемые лептонами: их суперпартнеровназывают слептонами. Подобным образом и у кварка может бытьпартнер с нулевым спином, который называется скварком. В целом,партнеры всех известных частиц (кварков, лептонов, гравитонов,фотонов и так далее) называются счастицами, или суперчастицами.Эти счастицы нам еще только предстоит обнаружить при помощиускорителей частиц (возможно, наше оборудование еще не достаточ-но мощное, чтобы мы могли получить эти частицы).
Но поскольку все субатомные частицы являются либо ферми-онами, либо бозонами, то в теории суперсимметрии содержитсяпотенциал объединения всех известных субатомных частиц однойпростой симметрией. Теперь у нас есть достаточно обширная сим-метрия, которая включит в себя целую Вселенную.
Представьте себе снежинку. Пусть каждый из шести ее кончиковпредставляет субатомную частицу, при этом бозоны расположенычерез один и за каждым бозоном следует фермион. Красота этой«суперснежинки» состоит в том, что при вращении она остаетсянеизменной. Таким образом, эта суперснежинка объединяет всечастицы и их счастицы. Поэтому, если мы попытаемся построитьгипотетическую единую теорию поля, в которой есть лишь шесть
частиц, то вполне естественно, что лучшим претендентом на эту рольявится суперснежинка.
Суперсимметрия помогает устранить все оставшиеся бесконеч-ности, которые для других теорий оказывались роковыми. Ранее мыуже упоминали о том, что большая часть отклонений устраняетсяблагодаря топологии струны — то есть, поскольку струна обладаетконечной длиной, силы не стремятся к бесконечности при прибли-жении к самой струне. При рассмотрении оставшихся отклонениймы видим, что они делятся на два типа, исходя из взаимодействий бо-зонов и фермионов. Однако два типа действий, производимых этимичастицами, всегда имеют противоположный знак, а потому действиефермиона всегда компенсируется действием бозона! Иными слова-ми, поскольку действия бозона и фермиона всегда имеют противопо-ложный знак, то оставшиеся в теории противоречия взаимоустраня-юхся. Таким образом, суперсимметрия — это не просто витринноекрашение. Это не только симметрия, которая дарит эстетическоеудовольствие, — это неотъемлемый элемент для устранении откло-нений в струнной теории.
Вспомним аналогию конструирования гладкой ракеты, в кото-рой вибрации могут возрасти настолько, что в конечном счете у нееоторвет крылья. Одним из решений этой проблемы является приме-нение силы симметрии для корректировки конструкции крыльев —таким образом, чтобы вибрации, возникающие в одном крыле,компенсировали вибрации в другом. Когда одно крыло вибрирует почасовой стрелке, второе крыло должно вибрировать против часовойстрелки, что уравновешивает вибрацию первого крыла. Таким об-разом, симметрия ракеты — казалось бы, всего лишь искусственныйхудожественный элемент — имеет ключевое значение в устранениии балансировке нагрузок на крылья ракеты. Подобным образом и су-персимметрия устраняет отклонения благодаря тому, что бозонная ифермионная части полностью компенсируют действие друг друга.
(Суперсимметрия также решает ряд сложных техническихпроблем(13), фатальных для ТВО. Для устранения математическихпротиворечий в ТВО необходима суперсимметрия.)
Хотя суперсимметрия несет в себе очень мощную идею, в настоя-щее время не существует никаких экспериментальных доказательствее истинности. Это может объясняться тем, что суперпартнеры из-
вестных нам электронов и протонов могут попросту обладать слиш-ком большой массой, чтобы мы могли получить их на современныхускорителях частиц. Однако существует очень даже привлекательноедоказательство существования суперсимметрии. Мы знаем, что триквантовых взаимодействия различны по силе. В сущности, при малыхэнергиях сильное взаимодействие в 30 раз сильнее слабого взаимо-действия и в сотню раз сильнее электромагнетизма. Однако так былоне всегда. Мы предполагаем, что в момент Большого Взрыва все тривзаимодействия были равны по силе. Возвращаясь назад во времени,физики могут вычислить силы трех взаимодействий в начале времен.Анализируя Стандартную модель, физики обнаружили, что силытрех взаимодействий, видимо, стремились к равенству в моментБольшого Взрыва. Но они не в точности равняются друг другу. Затокогда мы добавляем суперсимметрию, то все три взаимодействияв точности совпадают друг с другом по силе, а это именно то, чтопредполагается в единой теории поля. И хотя этот факт не являетсяпрямым доказательством в пользу суперсимметрии, он все же пока-зывает, что суперсимметрия, по крайней мере, вписывается в рамкиизвестной физики.
01276985Электромагнитное
Энергия
Энергия Планка
Силы слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия не являются эквивалентными по силе в современном нам мире. Однако при энергиях Большого Взрыва силы этих взаимодействий должны полностью совпадать. Это совпадение имеет место при применении теории суперсимметрии. Таким образом, суперсимметрия может оказаться ключевым элементом для любой единой теории поля.
00Электромагнитное
Энергия
Энергия Планка
Силы слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия не являются эквивалентными по силе в современном нам мире. Однако при энергиях Большого Взрыва силы этих взаимодействий должны полностью совпадать. Это совпадение имеет место при применении теории суперсимметрии. Таким образом, суперсимметрия может оказаться ключевым элементом для любой единой теории поля.
1225550292735Сильное
00Сильное
7683500
00
0646430Сила
взаимодействий
00Сила
взаимодействий

Вывод Стандартной модели
Хотя в суперструнах в принципе не существует настраиваемых пара-метров, струнная теория может предложить решения, удивительноблизкие к Стандартной модели с ее пестрым собранием причудливыхсубатомных частиц и девятнадцатью «гуляющими» параметрами(такими, как массы частиц и их силы взаимодействия). Кроме того, вСтандартной модели существуют три идентичные (и лишние) копиивсех кварков и лептонов, что кажется совершенно бесполезным.Ксчастью, струнная теория может без напряжения вывести многиекачественные характеристики Стандартной модели. В 1984 годуФилип Канделас из Техасского университета, Гари Хоровиц и ЭндрюСтромингер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, атакже Эдвард Виттен показали, что если свернуть шесть из десятиизмерений струнной теории и при этом сохранить суперсимметриюв оставшихся четырех измерениях, то крошечный шестимерный мирможно описать при помощи того, что математики называют много-образием Калаби-Яу. Взяв несколько примеров из пространствКалаби-Яу, они показали, что симметрию струны можно свести ктеории, которая удивительно близка к Стандартной модели.
Таким образом, струнная теория дает нам простой ответ на то,почему в Стандартной модели существуют три излишних поколе-ния. В струнной теории количество поколений или излишеств вкварковой модели связано с количеством «отверстий», которыемы обнаруживаем в многообразии Калаби-Яу. (Например, возьмемпончик, велосипедную камеру и кофейную чашку — все они явля-ются поверхностями с одним отверстием. В оправе для очков дваотверстия. В пространствах Калаби-Яу может существовать про-извольное количество отверстий.) Таким образом, просто выбравмногообразие Калаби-Яу, в котором есть определенное количествоотверстий, мы можем построить Стандартную модель с различнымипоколениями лишних кварков. (Поскольку мы никогда не видимпространства Калаби-Яу из-за того, что оно очень маленькое, мытакже никогда не видим и того факта, что это пространство, подобнопончику, пронизано отверстиями.) В течение многих лет группыфизиков пытались каталогизировать все возможные пространства
Калаби-Яу, осознавая тот факт, что топология этого шестимерногопространства определяет кварки и лептоны нашей четырехмернойВселенной.
М-теория
Всеобщее увлечение струнной теорией, имевшее место в 1984 году,не могло продолжаться вечно. К середине 1990-х годов триумфальноешествие теории суперструн начало сбавлять темп. Легкие проблемы,которые решала эта теория, были уже все выбраны, и остались толькосложные. Одной из таких проблем было открытие миллиардов реше-ний струнных уравнений. При компактификации, или свертываниипространства-времени различным образом, струнные решенияможно было записывать в любом измерении, а не только в четырех.Каждое из миллиардов струнных решений соответствовало матема-тически непротиворечивой Вселенной.
Физики внезапно начали тонуть в струнных решениях. Что при-мечательно, многие из этих решений выглядели очень похожимина нашу Вселенную. Выбрав подходящее пространство Калаби-Яу,можно было относительно несложно воспроизвести многие изсущественных черт Стандартной модели с ее причудливым скопле-нием кварков и лептонов, даже с ее любопытным набором поколе-ний. Однако чрезвычайно сложной задачей (неразрешенной и посей день) было обнаружить первоначальную Стандартную модельс определенными значениями ее девятнадцати параметров и тремяизлишними поколениями. (Ошеломляющее количество струнныхрешений, вообще-то, приветствовалось физиками, которые поддер-живали идею Мультивселенной, поскольку каждое решение пред-ставляет полностью непротиворечивую параллельную вселенную.Однако удручал тот факт, что физики испытывали сложности в обна-ружении именно нашей Вселенной в этих джунглях вселенных.)
Одной из причин сложности этого предприятия является то, что вконечном счете суперсимметрию все же нужно разрушить, посколь-ку в нашем мире низких энергий мы этой симметрии не наблюдаем.К примеру, мы не видим в природе сэлектрона — суперпартнераэлектрона. Если оставить суперсимметрию нетронутой, то массакаждой частицы должна быть эквивалентна массе ее суперчастицы.
Физики считают, что суперсимметрия была нарушена, и результатомэтого является то, что массы суперчастиц огромны и, таким образом,суперчастицы находятся вне пределов досягаемости современныхускорителей частиц. Но в настоящее время никто еще не предложилправдоподобного механизма для нарушения суперсимметрии.
Дэвид Гросс из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре заметил, что существуют миллионы и миллионы решенийструнной теории в трех пространственных измерениях, что несколь-ко смущает, поскольку нет способа, с помощью которого мы можемвыбирать среди них.
Были и другие вопросы, в частности то, что существовало пятьнепротиворечивых струнных теорий. Было сложно представить, чтоВселенная могла позволять существование пяти отдельных единыхтеорий поля. Эйнштейн считал, что у Бога не было выбора при соз-дании Вселенной, так почему же Бог должен был создать целых пятьвселенных?
Первоначальная теория, основанная на формуле Венециано,описывает то, что называют суперструнной теорией типа I. В теориитипа I фигурируют как открытые струны (с двумя концами), так изамкнутые струны (свернутые в окружность). Эту теорию оченьактивно разрабатывали в начале 1970-х годов. (Используя струннуютеорию поля, Киккаве и мне удалось каталогизировать полный наборструнных взаимодействий типа I. Мы показали, что струны типа Iтребуют пять взаимодействий. Что касается замкнутых струн, то мыпоказали, что там необходим только один член взаимодействия.)
Мы с Киккавой также показали, что возможно построение пол-ностью непротиворечивых теорий только с замкнутыми струнами(то есть похожими на петлю). Сегодня такие теории называютсяструнными теориями типа II, где струны взаимодействуют путемрасщепления на две струны меньшего размера (этот процесс напо-минает митоз в клетках).
Наиболее реалистичной струнной теорией считается теория гете-ротических струн, сформулированная группой ученых из Принстона(в том числе Дэвидом Гроссом, Эмилем Мартинеком, Райаном Ромоми Джеффри Харви). Теория гетеротических струн может содержать всебе группы симметрии, называемые Е(8)хЕ(8) или 0(32), которыедостаточно велики, чтобы включить в себя теории'ТВО. Теория гете-

Взаимодействие струн типа I может проходить в пяти различных вариантах. В ходе этих взаимодействий струны могут разрываться, соединяться и расщепляться. Для замкнутых струн характерно лишь последнее взаимодействие, которое напоминает процесс митоза в клетках.
ротических струн полностью основывается на замкнутых струнах.В 1980-е и 1990-е годы, говоря о теории суперструн, ученые подра-зумевали теорию гетеротических струн, поскольку она достаточнобогата, чтобы позволить анализировать внутри нее Стандартную мо-дель и теории ТВО. Например, группу симметрии Е(8)хЕ(8) можно
разбить до симметрии Е(8), а затем — Е(6), которая, в свою очередь,достаточно велика, чтобы включать симметрию SU(3)xSU(2)xU(l)«Стандартной модели.
Загадка супергравитации
Вдобавок к наличию пяти теорий суперструн существовал еще одиннасущный вопрос, позабытый в погоне за решением струнной теории.И976году три физика — Питер ван Ньювенхойзен, Серджо Феррараи Дэниэл Фридман, в то время работавших в Государственном универ-ситете Нью-Йорка в Стоуни-Брук, обнаружили, что первоначальнаятеория гравитации Эйнштейна могла стать суперсимметричной, есливвести в нее всего лишь одно новое поле, суперпартнер первоначаль-ного гравитационного поля со спином 3/2 (названное гравитино, чтоозначает «маленький гравитон»). Эта новая теория получила назва-ние теории супергравитации. В ее основе лежали точечные частицы,а не струны. В отличие от теории суперструн, где существовала бес-конечная последовательность нот и резонансов, в теории супергра-витации было всего лишь две частицы. В 1979 году Юджин Креммер,Джоэл Шерк и Бернар Джулия из французской Высшей техническойшколы показали, что самая общая теория супергравитации может1быть записана в одиннадцати измерениях. (При попытках записатьтеорию супергравитации в двенадцати или тринадцати измеренияхвозникали математические противоречия.) В конце 1970-х — начале1980-х годов считалось, что теория супергравитации вполне могла быоказаться мифической единой теорией поля. Теория супергравита-ции даже вдохновила Стивена Хокинга на слова о том, что виден не-вдалеке «конец теоретической физики» (в ходе его инаутурационнойлекции при занятии в Кембриджском университете той самой кафе-дры математики, которую в свое время возглавлял сам Исаак Ньютон).Но супергравитация вскоре столкнулась с теми же проблемами, какиепогубили и предыдущие теории. Хотя в теории супергравитации было меньше противоречий, чем в обычной теории поля, но в ней не хватало завершенности и было полно потенциальных аномалий. Каки все остальные теории поля (за исключением струнной теории), онарассыпалась на глазах у ученых.
Еще одной суперсимметричной теорией, которая может суще-ствовать в одиннадцати измерениях, является теория супермембран.Хотя струна обладает только одним измерением, определяющим еедлину, у супермембраны может быть два или более измерений, по-скольку она представляет собой поверхность. Что примечательно,два типа мембран — двубранные и пятибранные — также оказывают-ся непротиворечивыми в одиннадцати измерениях.
Однако и в теории супермембран не обошлось без проблем.Супермембраны широко известны тем, что с ними очень сложноработать, а их квантовые теории действительно расходятся. В товремя как скрипичные струны настолько просты, что еще греки-пифагорейцы смогли выработать законы гармонии, работать с мем-бранами настолько трудно, что даже сегодня ни у кого не возниклоудовлетворительной теории музыки, основанной на них. Кроме того,было доказано, что эти мембраны неустойчивы и в конечном итогераспадаются на точечные частицы.
Итак, к середине 1990-х годов у физиков было несколько загадок.Почему существовало пять струнных теорий в десяти измерениях?И почему в одиннадцати измерениях было две теории — супергра-витации и супермембран? Более того, все они обладали суперсиммет-рией.
Одиннадцатое измерение
В 1994 году произошел еще один научный прорыв: он произвел эф-фект разорвавшейся бомбы и вновь изменил весь научный ландшафт.Эдвард Виттен и Пол Таунсенд из Кембриджского университета ма-тематически показали, что десятимерная струнная теория на самомделе была приближением к загадочной одиннадцатимерной теориивысшего порядка и неизвестного происхождения. Виттен, к примеру,показал, что если мы возьмем мембранную теорию в одиннадцатиизмерениях и свернем одно измерение, то она превратится в десяти-мерную струнную теорию типа Па!
Вскоре после этого было обнаружено, что все пять струнныхтеорий, по сути, приближения одной и той же загадочной одинна-дцатимерной теории. Поскольку в одиннадцати измерениях могутсуществовать мембраны различных типов, Виттен назвал эту новую
теорию М-теорией. Но она не только объединяла пять различныхструнных теорий: в качестве бонуса она представила еще и объясне-ние загадки супергравитации.
Если вы помните, теория супергравитации представляла собойодиннадцатимерную теорию, которая содержала в себе всего лишьдве частицы с нулевой массой, изначальный гравитон Эйнштейна иего суперсимметричный партнер (названный гравитино). Однако вМ-теории существует бесконечное количество частиц с различны-ми массами (соответствующими бесконечным вибрациям, которыемогут стать рябью на некой одиннадцатимерной мембране). НоМ-теория может объяснить существование супергравитации, еслимы предположим, что крошечная часть М-теории (только частицы, неимеющие масс) является старой теорией супергравитации. Инымисловами, теория супергравитации является лишь частным случаемМ-теории. Аналогично, если мы возьмем эту загадочную одинна-дцатимерную мембранную теорию и свернем одно измерение, томембрана превратится в струну. Фактически, струнная теория типа IIоказывается самым настоящим частным случаем одиннадцатимер-ной мембранной теории, где свернуто одно измерение! Например,если мы взглянем на сферу в одиннадцати измерениях, а затем одноизмерение свернем, то сфера разрушится, а ее экватор превратитсяв замкнутую струну. Мы видим, что сферу можно рассматриватькак ломтик мембраны, если свернуть одиннадцатое измерение домаленького круга.

Десятимерная струна может получиться из одиннадцатимерной мембраны, если мы вырежем или свернем одно измерение. Когда мы свернем одно измерение, экватор мембраны превратится в струну. Существует пять способов такого сворачивания, что порождает пять различных десятимерных теорий суперструн.
Таким образом, мы обнаруживаем прекрасный и простой способобъединения всей десятимерной и одиннадцатимерной физики водну-единственную теорию! Это стало концептуальным прорывом.
Я все еще помню потрясение, вызванное этим сенсационнымоткрытием. Я в то время собирался читать лекцию в Кембриджскомуниверситете. Пол Таунсенд очень любезно представил меня слуша-телям. Но до лекции он с большим воодушевлением объяснил мнеэтот новый научный результат — что в одиннадцатом измерении раз-личные струнные теории могут быть объединены в одну-единствен-ную мембранную теорию. В названии моей лекции фигурировалодесятое измерение. До лекции Таунсенд сказал мне о том, что еслиэти последние научные изыскания окажутся удачными, то названиемоей лекции будет звучать старомодно.
Я сказал про себя: «Ой-ой-ой». Либо он совершенно спятил,либо физическому сообществу предстоял переворот с ног на голову.
Я не мог поверить в то, что слышал, а потому в свою защиту яобрушил на Таунсенда град вопросов. Я указал на тот факт, что один-надцатимерные супермембраны, теория, которую он сам помогалформулировать, бесполезны, поскольку с ними трудно иметь дело вматематическом отношении, и, что еще хуже, они нестабильны. Онпризнал существование этой проблемы, но выразил уверенность втом, что эти вопросы будут решены в будущем.
Я также сказал, что одиннадцатимерная супергравитация не былаокончательной теорией; она рассыпалась на глазах у ученых, как ивсе остальные теории, за исключением струнной. Таунсенд спокойноответил, что это больше не представляет проблемы, поскольку супер-гравитация была всего лишь приближением к большей теории, всееще окутанной тайной, — М-теории, которая и есть окончательная.По сути, это была струнная теория, переформулированная в один-надцатом измерении на основе мембран.
Тогда я сказал, что супермембраны неприемлемы по той причине,что никто еще не смог объяснить, каким образом взаимодействуютмембраны, когда они сталкиваются и меняют форму (как сделал ядля струнной теории в своей собственной диссертации нескольколет назад). Он признал, что это представляет проблему, но он былуверен, что и она решаема.
Наконец я сказал, что М-теория не является теорией вообще, по-скольку ее основные уравнения неизвестны. В отличие от струннойтеории (которую можно было выразить на основе простых струнныхуравнений поля, записанных мною несколько лет тому назад и содер-жащих в себе всю теорию), у мембран вообще не было теории поля.Он согласился и с этой точкой зрения. Но все же он был уверен, чтоуравнения для М-теории в конце концов будут выведены.
У меня закружилась голова. Если Таунсенд был прав, то струннойтеории вновь предстояло претерпеть радикальную трансформацию.Мембраны, когда-то отправленные в мусорную корзину историифизики, возрождались.
Источником этой революции является то, что струнная теорияпродолжает развиваться вспять. Даже сегодня никому не известныпростые физические принципы, лежащие в основе всей теории. Мненравится представлять сложившееся положение как блуждание попустыне, в ходе которого мы случайно находим маленький красивыйкамешек. Когда мы счищаем с него песок, мы обнаруживаем, чтоэтот камешек в действительности — лишь вершина пирамиды, по-хороненной под тоннами песка. После десятилетий изнуряющихраскопок мы находим таинственные иероглифы, потайные комнатыи туннели. Когда-нибудь мы доберемся до первого этажа и попадемвнутрь.
Мир бран
Одной из оригинальных черт М-теории является то, что она вводитне только струны, но и целый зверинец мембран различных измере-ний. В таком представлении точечные частицы называются «нуль-бранами», потому что они бесконечно малы и не имеют измерения.Тогда струна «однобранна», поскольку это одномерный объект,определяемый своей длиной. Мембрана «двубранна», подобноповерхности баскетбольного мяча, которая определяется длиной ишириной. (Баскетбольный мяч может двигаться в трех измерениях,но его поверхность лишь двумерна). Наша Вселенная может быть«трехбранной», трехмерным объектом, обладающим длиной, шири-ной и высотой.
Существует несколько способов, при помощи которых мы можемвзять мембрану и свести ее к струне. Вместо того чтобы сворачиватьодиннадцатое измерение, мы также можем вырезать ломтик-экваториз одиннадцатимерной мембраны, создав таким образом замкнутуюленту. Если мы уберем толщину этой ленты, то она превратится вдесятимерную струну. Петр Хорава и Эдвард Виттен показали, чтотаким образом мы приходим к гетеротической модели струн.
В сущности, можно показать, что существует пять способов све-сти одиннадцатимерную М-теорию к десяти измерениям, получивв результате те самые пять теорий суперструн. М-теория дает намбыстрый интуитивный ответ на загадку, почему существует пятьструнных теорий. Представьте, что вы стоите на вершине высокогохолма и смотрите на равнины. С удачной точки обзора в третьем из-мерении отдельные части равнины предстают нам объединеннымив единую связную картину. Подобным образом, с точки обзора водиннадцатом измерении, глядя «вниз» на десятимерную равнину,мы видим безумное лоскутное одеяло, сшитое из пяти теорий супер-струн — отдельных лоскутков одиннадцатого измерения.
Дуальность
Хотя Пол Таунсенд и не смог ответить на большую часть заданныхмной вопросов, окончательно в правильности этой идеи меня убеди-ла сила еще одной симметрии. М-теория не только обладает самымбольшим набором симметрии, известным физике, у нее есть и ещеодин козырь в рукаве: дуальность, которая дает М-теории сверхъ-естественную способность вместить пять теорий суперструн в однутеорию.
Рассмотрим электричество и магнетизм, которые подчиняютсяуравнениям Максвелла. Было давно замечено, что если мы поменяемместами электрическое поле и магнитное, то уравнения останутсяпочти неизменными. Эта симметрия станет полной, если мы добавиммонополи (единичные магнитные полюса) в уравнения Максвелла.Пересмотренные уравнения Максвелла останутся совершенно не-изменными, если мы поменяем электрическое поле с магнитным изаменим электрический заряд е на обратный магнитный заряду. Этоозначает, что электричество (если электрический заряд мал) в точ-
ности эквивалентно магнетизму (если магнитный заряд велик). Этаэквивалентность называется дуальностью.
В прошлом эту дуальность считали не более чем научной дико-винкой, предметом салонных разговоров, поскольку вплоть до сегод-няшнего дня никто не видел монополя. Однако физики посчиталипримечательным тот факт, что в уравнениях Максвелла содержаласьскрытая симметрия, которой природа, по всей видимости, не пользу-ется (во всяком случае, в нашем секторе Вселенной).
Подобным образом и пять струнных теорий дуальны по отно-шению друг к другу. Рассмотрим струнную теорию типа I и гетеро-тическую струнную теорию SO(32). Обычно эти две теории дажене выглядят похожими. Теория типа I основана на разомкнутых изамкнутых струнах, которые могут взаимодействовать пятью раз-личными способами, при этом результатом взаимодействия являет-ся расщепление и соединение струн. С другой стороны, струннаятеория SO(32) имеет дело только с замкнутыми струнами, которыевзаимодействуют только одним способом — подвергаются митозу(подобно клеткам). Струнная теория типа I определяется исключи-тельно для десятимерного пространства, в то время как в струннойтеории SO(32) имеется один набор вибраций, определенный в два-дцатишестимерном пространстве.
Сложно найти теории, которые были бы в большей степени непохожи друг на друга. Однако, как и в электромагнетизме, эти дветеории обладают мощной дуальностью: если увеличить силу взаи-модействий, то струны типа I будто по волшебству превращаютсяв гетеротические струны типа SO(32). (Этот результат настольконеожиданный, что, когда я впервые увидел его, я в изумлении покачалголовой. В физике редко находятся две теории, которые кажутся со-вершенно разными во всех отношениях, в то время как доказывается,что они математически эквивалентны.)
Лиза Рэндалл
Возможно, основным преимуществом М-теории над струнной тео-рией является то, что вместо того, чтобы быть довольно маленькими,эти дополнительные измерения на самом деле довольно велики и ихдаже можно наблюдать в лаборатории. Согласно струнной теории,
шесть из десяти измерений должны быть свернуты в крошечныйшарик, многообразие Калаби-Яу, которое слишком мало для того,чтобы его можно было наблюдать при помощи доступных нам сегод-ня инструментов. Эти шесть измерений были компактифицированы,благодаря чему попасть в дополнительные измерения не представля-ется возможным, что, конечно, разочарует тех, кто надеялся однаждывзмыть в бесконечное гиперпространство, а не просто срезать марш-рут через компактифицированное гиперпространство посредствомпорталов-червоточин.
Однако отличительным свойством М-теории является то, что вней фигурируют мембраны. Всю нашу Вселенную можно рассма-тривать в виде мембраны, парящей в намного большей вселенной.В результате этого не все дополнительные измерения необходимосворачивать в шарик. По сути, некоторые из них могут быть огром-ны, бесконечны в своей протяженности.
Физиком, попытавшимся разработать это новое представлениео Вселенной, стала Лиза Рэндалл из-Гарварда. Несколько похожая наактрису Джоди Фостер, Рэндалл кажется не на своем месте в исклю-чительно мужской профессии физика-теоретика, где царит жестокаяконкуренция, а движущей силой является тестостерон. Она разра-батывает идею о том, что если наша Вселенная действительно пред-ставляет собой три-брану, парящую в пространстве, содержащемдополнительные измерения, то, возможно, это объясняет тот факт,что гравитация намного слабее трех остальных взаимодействий.
Рэндалл выросла в нью-йоркском Куинсе; в школе она не выказы-вала особого интереса к физике, зато обожала математику. Я считаю,что, хотя все мы рождаемся учеными, не каждый способен продол-жить роман с наукой в более взрослом возрасте. Одной из причинтому является каменная стена математики, встающая перед нами.
Нравится нам это или нет, если мы хотим сделать научную карье-ру, то в конце концов приходится выучить «язык природы» — ма-тематику. Без математики мы можем только пассивно наблюдать затанцем природы, не принимая в нем активного участия. Как когда-товыразился Эйнштейн: «Чистая математика является своеобразнойпоэзией логических идей». Разрешите и мне предложить аналогию.Можно любить французскую цивилизацию и литературу, но длятого, чтобы понять французское мышление, необходимо выучить
IМ-теория: мать всех струн 247
французский язык и спряжения французских глаголов. Таким же об-разом дело обстоит в науке с математикой. Когда-то Галилей написал:«[Вселенную] нельзя прочесть до тех пор, пока мы не выучим языка ине ознакомимся с символами, в которых она написана. Она написанана языке математики, а буквы этого языка — треугольники, кругии другие геометрические фигуры, без посредства которых понятьодно-единственное слово не в человеческих силах».
Математики часто гордятся тем, что из всех ученых они самыенепрактичные. Чем более абстрактна и бесполезна математика, темлучше. Причиной, по которой Рэндалл поменяла сферу научнойдеятельности, будучи студенткой в Гарварде в начале 1980-х годов,стало то, что ей понравилась возможность физики создавать «мо-дели» Вселенной. Для примера, модель кварков основана на идее отом, что внутри протона находятся три его составляющие — кварка.На Рэндалл произвело большое впечатление то, что простые модели,основанные на физических картинах, могут адекватно объяснитьмногое во Вселенной.
В 1990-е годы Рэндалл заинтересовалась М-теорией, возмож-ностью того, что вся Вселенная представляет собой мембрану. Онасосредоточила свои усилия на, возможно, наиболее загадочнойхарактеристике гравитации — на том, что сила ее астрономическимала. Ни Ньютон, ни Эйнштейн не обращались к этому фундамен-тальному, но загадочному вопросу. В то время как сила трех другихвзаимодействий (электромагнитного, слабого ядерного и сильногоядерного) вполне сравнима, гравитационное взаимодействие суще-ственно им уступает.
В частности, массы кварков намного меньше массы, ассоциируе-мой с квантовой гравитацией. «Расхождение не маленькое; две шкалымасс разделены шестнадцатью порядками величины! Только теории,способные объяснить этот огромный диапазон, могут претендоватьна место впереди Стандартной модели», — говорит Рэндалл.
Тот факт, что сила гравитации столь мала, объясняет, почемузвезды так велики. Земля со всеми ее океанами, горами и континен-тами — это всего лишь крошечная пылинка по сравнению с огром-ными размерами Солнца. Но в связи с малостью силы гравитациитребуется масса целой звезды для такого сжатия водорода, котороепреодолевает электрическое отталкивающее взаимодействие про-
тонов. Таким образом, звезды настолько массивны потому, что силагравитационного взаимодействия так мала в сравнении с тремяостальными.
Поскольку М-теория вызвала столько волнения в физике, не-сколько групп ученых попытались применить эту теорию к нашейВселенной. Представьте, что Вселенная — это три-брана, парящаяв пятимерном мире. В такой картине вибрации на поверхности три-браны соответствуют атомам, которые мы наблюдаем вокруг нас.Таким образом, эти вибрации никогда не покидают три-брану, а отсю-да следует, что они не могут сместиться в пятое измерение. Даже с уче-том того, что наша Вселенная парит в пятом измерении, наши атомыне могут ее покинуть, поскольку они представляют вибрации на по-верхности три-браны. Это может стать ответом на вопрос, заданныйКалуцой и Эйнштейном в 1921 году: где находится пятое измерение?Ответ таков: мы парим в пятом измерении, но не можем войти в него,потому что наши тела прикованы к поверхности три-браны.
Однако в такой картине существует потенциальный изъян. Гра-витация представляет собой искривление пространства. Можнобыло бы наивно ожидать, что гравитация может заполнить все пя-тимерное пространство, а не только три-брану; при таком вариантеразвития событий гравитация бы рассеивалась сразу по выходе изтри-браны. Это и ослабляет гравитационное взаимодействие. Этохороший довод в поддержку теории, поскольку, как мы знаем, грави-тационное взаимодействие является намного более слабым, чем тридругих. Но в такой картине сила гравитации слишком ослабляется:был бы нарушен закон обратных квадратов Ньютона, а он прекрасноработает для планет, звезд и галактик. (Представьте себе лампочку,освещающую комнату. Свет распространяется сферически. Силаего рассеивается в пределах сферы. Если мы увеличим радиус сферывдвое, то свет будет распространяться в сфере с площадью, в 4 разапревосходящей первоначальную. В общем случае существованиялампы в n-мерном пространстве яркость ее света убывает, рассеи-ваясь по сфере, площадь которой увеличивается пропорционально(п - 1 )-й степени радиуса).
Чтобы ответить на этот вопрос, группа физиков, в которую вхо-дили Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали, выдвинула пред-
положение о том, что пятое измерение, возможно, не бесконечно, анаходится всего лишь в миллиметре от нашего, покачиваясь прямонад нашей Вселенной, совсем как в научно-фантастическом произве-дении Герберта Уэллса. (Если бы пятое измерение лежало дальше, чемв миллиметре от нас, то оно могло бы создать измеримые нарушениязакона обратных квадратов Ньютона.) А если пятое измерение нахо-дится всего лишь на расстоянии одного миллиметра от нас, то такоепредположение можно было бы проверить, найдя мельчайшие от-клонения от закона тяготения Ньютона для чрезвычайно малых рас-стояний. Закон Ньютона прекрасно работает на астрономическихрасстояниях, но его никогда еще не проверяли на расстоянии мил-лиметров. Сейчас экспериментаторы рвутся проверить крошечныеотклонения от закона обратных квадратов Ньютона. В настоящеевремя получение этого результата является предметом несколькихпроводимых экспериментов, как мы увидим в главе 9.
Рэндалл и ее коллега Раман Сундрум решили применить новыйподход и пересмотреть возможность того, что пятое измерение нахо-дилось не на расстоянии миллиметра от нас, а было бесконечно. Длядостижения своей цели им необходимо было объяснить, каким обра-зом пятое измерение могло быть бесконечным, не нарушив при этомзакона гравитации Ньютона. Здесь Рэндалл обнаружила возможныйответ на загадку. Она выяснила, что три-брана обладает собствен-ным гравитационным притяжением, которое не давало гравитонамвырваться в пятое измерение. Гравитонам приходится липнуть ктри-бране (подобно мухам, попавшимся на липучку) из-за действиягравитации, оказываемого три-браной. Таким образом, оцениваязакон Ньютона, мы видим, что он приблизительно верен для нашейВселенной. Действие гравитации рассеивается и ослабляется, выхо-дя из три-браны и попадая в пятое измерение, но далеко оно не рас-пространяется: закон обратных квадратов все еще приблизительнодействует, поскольку гравитоны все же притягиваются к три-бране.(Лизе Рэндалл также принадлежит гипотеза о вероятности суще-ствования параллельной нам второй мембраны. Если вычислить едваразличимое взаимодействие гравитации между двумя мембранами,то результат можно подогнать таким образом, что мы сможем числен-
«Первые предположения о том, что дополнительные измеренияпредставляют альтернативные пути обращения к [проблеме ие-рархии], вызвали бурю волнения, — говорит Рэндалл. — Дополни-тельные пространственные измерения поначалу могут показатьсядикой и безумной идеей, но существуют веские причины считать,что дополнительные измерения пространства действительно суще-ствуют».
Если эти физики правы, то гравитационное взаимодействие стольже сильно, как и остальные, только оно ослабляется, поскольку частьего утекает в пространство дополнительных измерений. Одним изглубоких следствий этой теории является то, что энергия, при кото-рой квантовые взаимодействия можно измерить, возможно, не равнаэнергии Планка (Ю19 млрд электронвольт), как считалось ранее.Возможно, необходимы всего лишь триллионы электронвольт, а в та-ком случае при помощи Большого адронного коллайдера (заверше-ние конструирования которого планируется к 2007 году), возможно,удастся уловить квантовые гравитационные эффекты еще в этом деся-тилетии. Это также побудило физиков-экспериментаторов открытьактивную охоту на экзотические частицы за пределами Стандартноймодели субатомных частиц. Возможно, квантовые гравитационныевзаимодействия находятся в пределах нашей досягаемости.
Мембраны также предоставляют вполне вероятный, хоть и гипо-тетический ответ на загадку темного вещества. В романе ГербертаУэллса «Человек-невидимка» главный герой парил в четвертом из-мерении, а потому был невидим. Подобным образом, представим,что прямо над нашей Вселенной парит параллельный мир. Любаягалактика в этой параллельной вселенной будет невидима для нас.Но поскольку гравитация вызвана искривлением гиперпростран-ства, то гравитационное взаимодействие могло бы перемещатьсямежду вселенными. Любая большая галактика в этой параллельнойвселенной притягивалась бы через гиперпространство к галактикев нашей Вселенной. Таким образом, измерив свойства наших галак-тик, мы бы обнаружили, что их гравитационное притяжение гораздобольше, чем ожидалось согласно законам Ньютона, поскольку назаднем плане прячется другая галактика, парящая на соседней бране.Эта скрытая галактика за пределами нашей галактики была бы со-вершенно невидимой, паря в другом измерении, но она бы казалась
рало, окружающим нашу галактику и содержащим в себе 90 % массы.Таким образом, существование темного вещества может объяснять-ся присутствием параллельной вселенной.
IСталкивающиеся вселенные
Может быть, и несколько преждевременно применять М-теорию ксерьезной космологии. Тем не менее физики попытались применить«физику бран» для нового поворота в стандартном инфляционномподходе ко Вселенной. Внимание привлекают три возможные космо-логии.
Первая космология пытается ответить на вопрос: почемумы живем в четырех пространственно-временных измерениях?В принципе, М-теория может быть сформулирована во всех изме-рениях вплоть до одиннадцатого, а потому кажется загадочным, чтовыделяются именно эти четыре измерения. Роберт Бранденбергер иКумрун Вафа выдвинули гипотезу о том, что причиной этого являет-ся геометрия струн.
Согласно предложенному ими сценарию, Вселенная зародиласьв идеально симметричном состоянии, при этом все дополнительныеизмерения были свернуты, измеряясь в масштабах длины Планка,От расширения Вселенную сдерживали петли струн, плотно обмо-танные вокруг различных измерений. Представьте себе спираль,которая не может расшириться, потому что она плотно обмотанаструнами. Если струны каким-либо образом порвутся, то спиральосвободится и расширится.
В этих крошечных измерениях Вселенная не может расширитьсяиз-за обмотки струн и антиструн (грубо говоря, антиструны намо-таны в противоположном направлении относительно струн). Еслиструна и антиструна сталкиваются, то они могут аннигилироватьи исчезнуть, что похоже на развязывание узла. В очень больших из-мерениях настолько «просторно», что струны и антиструны редкосталкиваются и никогда не распутываются. Однако Бранденбергер иВафа показали, что в трех или менее пространственных измеренияхнаиболее вероятен вариант событий, при котором струны и анти-струны столкнутся. При таких столкновениях струны распутывают-ся и измерения вырываются вовне, что и дает нам Большой Взрыв.
Привлекательной чертой такой картины является то, что топологияструн дает нам примерное объяснение, почему мы видим вокруг себячетыре привычных измерения. Вселенные с дополнительными из-мерениями возможны, но вероятность увидеть эти вселенные ниже,поскольку они все еще плотно обмотаны струнами и антиструнами.
Но в М-теории существуют также и другие возможности. Есливселенные могут откалываться или отпочковываться одна от другой,что рождает новые вселенные, то, быть может, возможно и обратное:вселенные могут сталкиваться. При этом в момент столкновения об-разуются искры, дающие начало новым вселенным. Согласно такомусценарию, возможно, что Большой Взрыв произошел при столкно-вении двух параллельных вселенных-бран, а не при отпочковании отдругой вселенной.
Эта вторая теория была предложена физиками Полом Щтайн-хардтом из Принстона, Бертом Оврутом из Пенсильвании иНилом Туроком из Кембриджского университета, которые создали«экпиротическую» (что по-гречески означает «столкновение»)Вселенную и включили в нее оригинальные черты картины, пред-лагаемой М-теорией. В такой Вселенной некоторые дополнительныеизмерения могли быть большими и даже бесконечными по размеру.Они начинаются с двух плоских однородных и параллельных три-бран, которые представляют состояние низкой энергии. Изначальноони зародились как пустые холодные вселенные, но гравитационноевзаимодействие постепенно подтягивает их ближе и ближе друг кдругу. В конце концов они сталкиваются, и невероятная кинетиче-ская энергия столкновения конвертируется в вещество и излучение,наполняющие нашу Вселенную. Некоторые называют эту теориюне теорией Большого Взрыва, а теорией «Большого Хлопка (илиСхлопывания)», поскольку сценарий предполагает столкновение(«схлопывание») двухбран.
Сила взрыва разбрасывает вселенные в стороны. Отделяясь другот друга, эти две мембраны стремительно остывают и дают нам тусамую Вселенную, что мы видим сегодня. Остывание и расширениепродолжаются триллионы лет, до тех пор, пока температура вселен-ных не достигнет температуры абсолютного нуля, а их плотность несоставит один электрон на квадриллион кубических световых леткосмоса. В сущности, Вселенная становится пустой и инертной. Но
сила гравитации продолжает свое действие — она привлекает двемембраны друг к другу до тех пор, пока, спустя еще триллионы лет,они не столкнутся вновь, и этот цикл повторяется снова й снова.
Этот новый сценарий может добавить новые преимуществаинфляции (плоскость, однородность). Он разрешает вопрос о том,почему Вселенная такая плоская — потому что с самого начала обебраны были плоскими. Такая модель также объясняет проблемугоризонта, то есть факт, что Вселенная видится такой однородной,куда бы мы ни взглянули. Это происходит потому, что мембране тре-буется много времени, чтобы медленно прийти в состояние равно-весия. Таким образом, в то время как инфляция объясняет проблемугоризонта тем, что Вселенная внезапно расширяется, этот сценарийрешает проблему горизонта от противного — при помощи предпо-ложения о том, что в своем медленном движении Вселенная стремит-ся к равновесию.
(Это также означает, что в гиперпространстве возможно суще-ствование других мембран, которые в будущем могут столкнутьсяс нашей, создавая тем самым еще один Большой Хлопок. Учитываятот факт, что наша Вселенная ускоряется, еще одно столкновение,в сущности, весьма вероятно. Штайнхардт добавляет: «Возможно,ускорение расширения Вселенной является предвестником такогостолкновения. Это не самая приятная мысль».)
Любой сценарий, который резко расходится с общепринятой ин-фляционной теорией, неизбежно приводит к жарким дебатам. В те-чение недели после помещения данной работав Сети АндрейЛинде,его жена Рената Каллош (которая занимается теорией струн) и Лев Кофман из Университета Торонто написали критический отзыв по поводу этого сценария. Линде раскритиковал эту модель потому, что нечто столь катастрофичное, как столкновение двух вселенных, могло бы создать сингулярность, где температуры и плотности стремятся к бесконечности. «Подобным образом можно бросить стул в черную дыру, которая испарит частицы стула, а затем сказать, что вней каким-то образом сохраняется форма стула», — выразил свой протест Линде.
Штайнхардт ответил: «То, что выглядит как сингулярность в че-тырех измерениях, может вовсе не являться ею в пяти измерениях...Когда браны сталкиваются, пятое измерение временно исчезает, но
сами браны не исчезают. Поэтому плотность и температура не воз-растают до бесконечности, а время не нарушает свойход. Хотя общаятеория относительности здесь просто бесится, струнная теорияведет себя нормально. И то, что когда-то выглядело катастрофой дляэтой модели, теперь кажется поправимым».
На стороне Штайнхардта мощь М-теории, которая, как известно,исключает сингулярности. В сущности, именно поэтому физикам-теоретикам для начала необходима квантовая теория гравитации,чтобы исключить все бесконечности. Однако Линде указывает наконцептуально слабое место этой картины, а именно заявление отом, что в самом начале браны существовали в плоском однородномсостоянии. «Если начинать с совершенства, то возможно объяснитьто, что вы видите... но вы до сих пор не ответили на вопрос: почемувселенная должна родиться совершенной?» — возражает Линде.Штайнхардт отвечает: «Плоское плюс плоское дает в сумме пло-ское». Иными словами, необходимо допустить, что мембраны роди-лись в состоянии самой низкой энергии — будучи плоскими.
И наконец, существует еще одна возможная теория космоло-гии, задействующая струнную теорию. Это теория событий, про-исшедших до Большого Взрыва, которая принадлежит ГабриэлюВенециано, тому самому физику, который помог заложить основыэтой теории в 1968 году. Согласно его теории, Вселенная зародиласькак черная дыра. Если мы хотим знать, на что похожа черная дыра из-нутри, то нам всего лишь надо оглянуться назад.
Согласно этой теории, в действительности Вселенная бесконечностара. Зародилась она в далеком прошлом и была почти пустой и хо-лодной. Гравитационное взаимодействие начало подтягивать комкивещества друг к другу по всей Вселенной. Постепенно эти скоплениястали настолько плотными, что превратились в черные дыры. Вокругкаждой черной дыры начал формироваться горизонт событий,прочно отделяя все, лежащее за горизонтом событий, от того, что на-ходилось в его пределах. Внутри каждого такого горизонта событийвещество продолжало сжиматься под действием силы гравитациидо тех пор, пока в конце концов черная дыра не достигла размеровдлины Планка.
В этот момент вступает струнная теория. Длина Планка являетсяминимальным расстоянием, допустимым в струнной теории. Затем
в черной дыре начинается обратный процесс: происходит огром-ный взрыв, который и является Большим Взрывом. Поскольку этотпроцесс может неоднократно происходить во всей Вселенной, этоозначает, что могут существовать и другие далекие черные дыры/вселенные.
(Мысль о том, что наша Вселенная может быть черной дырой, ненастолько притянута за уши, как это может показаться. Интуитивномы понимаем, что черная дыра должна быть чрезвычайно плотной иобладать невероятным разрушающим гравитационным полем, но такслучается не всегда. Размер горизонта событий черной дыры пропор-ционален ее массе. Чем более массивна черная дыра, тем больше еегоризонт событий. Но больший горизонт событий означает, что ве-щество распределено в большем объеме. В результате в действитель-ности плотность уменьшается по мере того, как возрастает масса.В сущности, если бы черная дыра обладала массой нашей Вселенной,то ее размер примерно соответствовал бы размеру нашей Вселенной,а плотность ее была бы заметно ниже, чем в нашей Вселенной.)
Однако некоторых астрофизиков не впечатляет применениеструнной теории и М-теории к космологии. Джоэл Примак изКалифорнийского университета в Санта-Крусе дает более суровуюоценку событий: «Я думаю, что глупо всерьез заниматься всем этим.Идеи, предлагаемые в этих работах, в принципе не подлежат про-верке». Только время покажет, прав ли Примак, но поскольку темпыразвития струнной теории увеличиваются, вскоре мы можем найтирешение этой проблемы, а прийти оно может с наших космическихспутников. Как мы увидим в главе 9, к 2020 году планируется отправ-ка в открытый космос нового поколения детекторов гравитацион-ных волн, таких, как LISA (космическая лазерная антенна-интерфе-рометр). Именно эти детекторы дадут нам возможность отброситьили подтвердить некоторые из этих теорий. Если права, к примеру,инфляционная теория, то LISA должна уловить сильнейшие гравита-ционные волны, образовавшиеся в ходе первоначального процесса: расширения. Однако экпиротическая Вселенная прогнозируетмедленное столкновение вселенных и, следовательно, гораздо болеемягкие волны. LISA должна экспериментально опровергнуть одну изэтих теорий. Иными словами, в гравитационных волнах, образовав-шихся при изначальном Большом Взрыве, закодированы данные, не-
обходимые для определения того, какой сценарий является верным.LISA может впервые представить основательные эксперименталь-ные результаты, касающиеся теории инфляции, струнной теории иМ-теории.
Черные мини-дыры
Поскольку струнная теория в действительности является теориейвсей Вселенной, то для ее проверки необходимо создать Вселеннуюв лаборатории (см. главу 9). Обычно мы ожидаем, что квантовые эф-фекты гравитации проявятся при энергии Планка, что в квадриллионраз мощнее, чем самый мощный ускоритель частиц, имеющийся в на-шем распоряжении, — и, следовательно, проверка струнной теориипрямым путем невозможна. Но если и вправду есть параллельнаявселенная, которая существует на расстоянии меньше миллиметраот нашей, то энергия, при которой происходит слияние и проявля-ются квантовые эффекты, может быть довольно низкой, в пределахдосягаемости следующего поколения ускорителей частиц, таких, какБольшой адронный коллайдер. Это предположение, в свою очередь,вызвало лавину интереса в физике черных дыр. При этом наиболееинтересными оказались «черные мини-дыры». Черные мини-дыры,которые ведут себя подобно субатомным частицам, являются «ла-бораторией», в которой можно проверить некоторые из прогнозовструнной теории. Физиков очень возбуждает возможность созданиятаких дыр при помощи Большого адронного коллайдера. (Черныемини-дыры очень малы, их размеры сравнимы с размерами электро-на, и можно не опасаться того, что они поглотят Землю. Космическиелучи, бьющие по Земле, — обычное дело. Их энергии намного пре-восходят черные дыры, тем не менее всякое вредное воздействие напланету отсутствует.)
В действительности идея черной дыры, скрывающейся за су-батомной частицей, стара. Впервые ее предложил Эйнштейн в1935 году. С точки зрения Эйнштейна, должна существовать единаятеория поля, в которой вещество, состоящее из субатомных частиц,можно было бы рассматривать как некое искривление материи про-странства-времени. Эйнштейн считал, что субатомные частицы
вроде электрона в действительности являются «изгибами» илипорталами-червоточинами в искривленном пространстве, которыена расстоянии выглядят как частицы. Эйнштейн и Натан Розен рас-сматривали идею о том, что электрон может в действительностивыть замаскированной черной мини-дырой. Эйнштейн по-своемуропытался включить вещество в состав такой единой теории поля,которая свела бы субатомные частицы к чистой геометрии.
Черные мини-дыры были снова предложены Стивеном Хокингом,который доказал, что черные дыры должны слабо испарять и ис-пускать энергию. В течение многих эпох черная дыра испустила быакое огромное количество энергии, что постепенно бы сжалась и вюнце концов превратилась бы в субатомную частицу.Сегодня струнная теория заново представляет концепцию чер-ных мини-дыр. Вспомним о том, что черные дыры образуются, когдабольшое количество вещества сжимается до радиуса Шварцшильда.Маcca и энергия могут быть конвертированы друг в друга, а это зна-чит, что черные дыры можно также создать путем сжатия энергии.Ученые задаются вопросом о том, сможет ли Большой адронныйколлайдер создать черные мини-дыры среди остатков, образующих-ся при столкновении двух протонов при энергии в 14 триллионовэлектронвольт. Такие черные дыры были бы очень малы и имели бымассу, возможно, в тысячу раз меньше электрона, а жизнь их измеря-лась бы периодом лишь в 10~23 секунды. Но они были бы отчетливовидны среди следов субатомных частиц, созданных Большим адрон-ным коллайдером.
Физики также надеются на то, что космические лучи из открытогокосмоса могут содержать в себе черные мини-дыры. Техника в обсер-ватории имени Пьера Оже в Аргентине, предназначенная для изуче-ния космических лучей, настолько чувствительна, что может уловитьнекоторые из самых больших вспышек космических лучей в историинауки. Ученые возлагают надежды на то, что черные мини-дыры мо-гут быть обнаружены в естественном виде среди космических лучей,которые попадают в верхние слои земной атмосферы, порождая темрамым широкие атмосферные ливни. Один из подсчетов показывает,чтo в год детектор космических лучей смог бы уловить до десяти лив-ней космических лучей, вызванных такой черной мини-дырой.
Обнаружение черной мини-дыры либо при помощи Большогоадронного коллайдера в Швейцарии, либо при помощи детекторакосмических лучей в Обсерватории Пьера Оже в Аргентине, воз-можно, уже в этом десятилетии представило бы веское доказатель-ство в пользу существования параллельных вселенных. Хотя это до-казательство не окончательно подтвердило бы правильность струн-ной теории, оно бы убедило все физическое сообщество в том, чтострунная теория согласуется с экспериментальными результатами ичто ее разработка продвигается в нужном направлении.
Черные дыры и информационный парадокс
Струнная теория может также пролить свет на некоторые из глубо-чайших парадоксов физики черных дыр, таких, как информационныйпарадокс. Как вы помните, черные дыры не абсолютно черные, онииспускают малые количества излучения посредством туннелиро-вания. Согласно квантовой теории, существует небольшая вероят-ность того, что излучение может вырваться из тисков гравитациичерной дыры. Это приводит к медленной утечке излучения из чернойдыры. Такое излучение называется излучением Хокинга.
Этому излучению, в свою очередь, присуща некоторая температу-ра (которая пропорциональна площади поверхности горизонта со-бытий черной дыры). Хокинг дал общий вывод этого уравнения, ко-торый не отличался доскональной точностью. Однако более тщатель-ный вывод потребовал бы привлечения всей мощи статистическоймеханики (основанной на подсчете квантовых состояний чернойдыры). Обычно расчеты в статистической механике осуществляютсякак подсчет количества состояний, в которых может находиться атомили молекула. Но как можно подсчитать квантовые состояния чер-ной дыры? Согласно теории Эйнштейна, черные дыры абсолютногладкие, а потому посчитать их квантовые состояния представляетсядовольно проблематичным.
Ученые, занимающиеся теорией струн, изо всех сил стремилисьзакрыть этот пробел, поэтому Эндрю Стромингер и Кумрун Вафаиз Гарварда решили проанализировать черную дыру при помощиМ-теории. Поскольку с самой черной дырой работать было слишкомсложно, они избрали другой подход и задали умный вопрос: что
дуально по отношению к черной дыре? (Мы помним, что электрондуален по отношению к магнитному монополю, такому, как единич-ный северный полюс. Отсюда путем изучения электрона в слабомэлектрическом поле, что достаточно просто, мы можем проанализи-ровать гораздо более сложный эксперимент: монополь, помещенныйв очень большое магнитное поле.) Итак, ученые надеялись, что ду-альный по отношению к черной дыре объект окажется более легкимв исследовании, хотя в конечном счете они получат тот же самыйрезультат. При помощи ряда математических процедур Стромингеруи Вафе удалось показать, что черная дыра дуальна по отношению кскоплению одно-бран и пяти-бран. Это принесло ученым огромноеоблегчение, поскольку квантовые состояния этих бран были извест-ны. Когда Стромингер и Вафа затем посчитали количество квантовыхсостояний, они обнаружили, что оно в точности соответствовалорезультату, данному Хокингом.
Это стало приятной новостью. Струнная теория, часто высмеи-ваемая за то, что она не связана с реальным миром, давала, возможно,самое изящное решение термодинамики черной дыры.Теперь ученые, работающие с теорией струн, пытаются подсту-питься к более сложной проблеме в физике черных дыр — «инфор-мационному парадоксу». Хокинг доказал, что если бросить что-либов черную дыру, то информация, заключенная в этом объекте, будетутеряна безвозвратно и навсегда. (Так можно было бы совершить иде-альное преступление. Преступник мог бы воспользоваться черной ды-рой, чтобы уничтожить все обличающие его улики.) Единственнымипараметрами, которые мы можем измерить для черной дыры на рассто-янии, являются ее масса, спин и заряд. Не имеет значения, что броситьв черную дыру, — все равно вся информация, содержащаяся в объекте,будет утеряна. (Это соответствует утверждению о том, что «у черныхдыр нет волос», что они «лысые», то есть потеряли всю информацию,все «волосы», за исключением этих трех параметров.)
Потеря информации из нашей Вселенной кажется неизбежнымследствием теории Эйнштейна, но это противоречит принципамквантовой механики, которые гласят, что в действительности ин-формацию потерять нельзя. Эта информация должна парить где-тов нашей Вселенной, даже если изначально содержащий ее объектбросили в пасть черной дыры. Хокинг писал:
Большинству физиков хотелось бы верить, что информация нетеряется, поскольку тогда мир стал бы безопасен и предсказуем.Но я считаю, что если серьезно подходить к общей теории от-носительности Эйнштейна, то необходимо принять во вниманиевозможность того, что пространство-время запутывается в узлыи вся информация теряется в образующихся складках. Выяснениетого факта, теряется в действительности информация или нет,является одним из основных вопросов теоретической физики насегодняшний день.
Этот парадокс, ставший тем пунктом, в котором Хокинг разошел-ся во мнении с большинством специалистов по струнной теории,все еще не нашел своего разрешения. Но ставки среди этих ученыхделаются в основном на то, чтав конечном счете мы обнаружим, кудадевается теряемая информация. (Например, если в черную дыру бро-сить книгу, то вполне вероятно, что информация, заключенная в кни-ге, плавно просочится обратно в нашу Вселенную в виде крошечныхвибраций, содержащихся в излучении Хокинга испаряющейся чер-ной дыры. Или, возможно, эта информация появится из белой дырыпо другую сторону черной.) Именно поэтому лично я считаю, чтоесли кто-нибудь вычислит, что происходит с информацией, когда онаисчезает в черной дыре согласно струнной теории, то он (или она)обнаружит, что в действительности информация не теряется — онанезаметно появляется где-то еще.
В 2004 году Хокинг, ко всеобщему удивлению, заявил передтелевизионными камерами, что он пересмотрел свои взгляды напроблему информации, и этим заявлением обеспечил себе место напервой странице «Нью-Йорк тайме». Он признал, что ошибалсяпо этому поводу. (За тридцать лет до того Хокинг поспорил с дру-гими физиками, что информация не могла утечь из черной дыры.Победитель этого пари должен был купить проигравшему хорошуюудобную энциклопедию.) Хокинг заново провел некоторые из своихрасчетов и сделал вывод, что если такой объект, как книга, попадал вчерную дыру, то он мог нарушить поле испускаемого черной дыройизлучения, тем самым позволяя информации утекать обратно воВселенную. Информация, содержащаяся в книге, была бы закоди-рована в излучении, медленно просачивающемся за пределы чернойдыры, но уже в искаженной форме.
С одной стороны, такой подход поставил Хокинга в один ряд сбольшинством квантовых физиков, которые считают, что информа-ция не может быть утеряна. Но это также вызвало следующий во-
npoc: может ли информация попасть в параллельную вселенную? Наервый взгляд, результат Хокинга ставил под сомнение идею о том,го информация может попасть через портал-червоточину в парал-лельную вселенную. Однако никто не верит в то, что в этом вопросесказано последнее слово. До тех пор пока не будет полностью раз-работана струнная теория или не будет проведен полный квантовыйгравитационный расчет, никто не поверит, что информационныйПарадокс полностью разрешен.
Голографическая вселенная
И наконец, существует довольно загадочный прогноз М-теории,доторый еще не до конца понятен, но может иметь далеко идущиефизические и философские последствия. Этот результат заставляет«гас задать следующий вопрос: является ли вселенная голограммой?Существует ли «вселенная-тень», в которой наши тела существуютв сжатом двумерном виде? Это также вызывает еще один столь жеролнующий вопрос: является ли вселенная компьютерной програм-мой? Можно ли загнать вселенную на компакт-диск и проигрыватьего на досуге?
Сейчас голограммы используются на кредитных картах, в детскихмузеях и в парках развлечений. Они примечательны тем, что могутфиксировать завершенное трехмерное изображение на двумернойповерхности. Если вы взглянете на фотографию, а затем пошевелитеголовой, то изображение на фотографии не изменится. Но если вывзглянете на голографическую картинку, а затем пошевелите головой,и вы увидите, что изображение меняется, как если бы вы смотрелинего через окно или в замочную скважину. (Голограммы могут вюнечном счете привести к появлению трехмерного телевидения икино. В будущем мы, очень может быть, получим возможность рас-биться в гостиной и посмотреть на настенный экран, которыйдаст нам полное трехмерное изображение далеких мест, как если бырастенньш телеэкран был окном, открытым на новый пейзаж. Далее,если бы настенный экран имел форму большого цилиндра, а наша
гостиная при этом находилась бы в самом центре, то нам казалосьбы, что мы перенеслись в новый мир. Куда бы мы ни глянули, мы быувидели трехмерное изображение новой реальности, неотличимоеот реального объекта.)
Суть голограммы состоит в том, что в двумерной поверхностиголограммы закодирована вся информация, необходимая для вос-произведения трехмерного изображения. (Голограммы создаютсяв лабораторных условиях при помощи облучения чувствительнойфотопленки рассеянным на предмете лазерным светом, интерфе-рирующим с исходным излучением. Интерференция двух световыхисточников создает картину, которая «вмораживает» изображениев двумерную пластину.)
Некоторые космологи предположили, что такой подход можноприменить и к самой вселенной — что мы, возможно, живем в го-лограмме. Истоки этого необычного предположения восходят кфизике черных дыр. Бекенштейн и Хокинг выдвигают гипотезу о том,что суммарное количество информации, содержащееся в чернойдыре, пропорционально площади поверхности ее горизонта собы-тий (который представляет собой сферу). Это довольно странныйрезультат, потому что обычно информация, заключенная в объекте,пропорциональна его объему. Например, количество информации,содержащейся в книге, пропорционально ее толщине, а не площадиобложки. Мы понимаем это на инстинктивном уровне, когда гово-рим, что о книге нельзя судить по обложке. Но интуиция подводитнас в случае с черными дырами: мы вполне можем судить о чернойдыре по ее «обложке».
Мы можем отбросить эту любопытную гипотезу, посколькучерные дыры сами по себе — причудливые диковинки, где обычнаяинтуиция подводит. Однако этот результат также относится к М-тео-рии, которая может дать нам самое лучшее описание всей Вселенной.В 1997 году Хуан Малдасена из Института передовых исследованийв Принстоне вызвал сенсацию, показав, что струнная теория ведет кновому типу голографической вселенной.
Он начал с пятимерной «антидеситтеровой вселенной», котораячасто фигурирует в струнной теории и теории супергравитации.Вселенная де Ситтера обладает космологической константой сположительным значением, создавая тем самым ускоряющуюся
Вселенную. (Мы помним, что в настоящее время наша Вселеннаялучше всего представляется на основе вселенной де Ситтера, в ко-торой космологическая константа толкает галактики прочь друг отдрута на все увеличивающихся скоростях. В антидеситтеровой все-ленной космологическая константа имеет отрицательное значение,а потому такая вселенная может взорваться.) Малдасена показал,что между этой пятимерной вселенной и ее четырехмерной «со-седкой» существуют отношения дуальности^. Что странно, любыесущества, обитающие в этом пятимерном пространстве, были бы вматематическом отношении эквивалентны существам, живущим вчетырехмерном пространстве. Их просто не различить.
Используем грубую аналогию. Представьте рыбок, плавающих ваквариуме. Эти рыбки думают, что их аквариум и есть реальность.Теперь представьте голографическое изображение этих рыбок, про-ектируемое на поверхность того же аквариума. Это изображениесодержит точную копию трехмерных рыбок, только плоскую. Любоедвижение рыбок в аквариуме в точности воспроизводится рыбкамина поверхности аквариума. И рыбки, плавающие в аквариуме, и пло-ские рыбки, живущие на его поверхности, считают, что именно онинастоящие, а те другие — это всего лишь иллюзия. И одни рыбки, ивторые живы и ведут себя как настоящие. Какое из описаний являет-ся верным? В действительности верны оба, поскольку математическиони эквивалентны и неразличимы.
Ученых, занимающихся теорией струн, глубоко взволновал тотфакт, что производить вычисления для антидеситтеровского пя-тимерного пространства сравнительно легче, в то время, как четы-рехмерные теории поля печально известны тем, что с ними трудноработать. (Даже сегодня, спустя десятилетия напряженной работы,наши мощнейшие компьютеры не могут найти решение для четырех-мерной кварковой модели и вывести массы протонов и нейтронов.Уравнения для самих кварков вывести очень легко, но разрешить ихв четырех измерениях и получить свойства протонов и нейтроновоказалось сложнее, чем считалось раньше.) Одной из задач являетсявычисление масс и свойств протона и нейтрона при помощи этойПричудливой дуальности.
Такая голографическая дуальность может также найти практиче-ское применение, такое, как решение проблемы информации в физи-
ке черных дыр. В четырех измерениях чрезвычайно трудно доказать,что информация не теряется, когда мы бросаем объекты в чернуюдыру. Но такое пространство дуально по отношению к пятимерномумиру, в котором, возможно, информация никогда не теряется. Ученыенадеются, что те проблемы, которые не поддаются решению в четы-рех измерениях (такие, как проблема информации, вычисление масскварковой модели и так далее), могут разрешиться в пятимерноймодели, где математика проще. И всегда возможно, что эта аналогияв действительности — отражение реального мира, а мы существуемкак голограммы.
Является ли Вселенная компьютернойпрограммой?
Как мы уже наблюдали, Джон Уилер считал, что всю физическуюреальность можно свести к чистой информации. Бекенштейн про-двигает идею информации в черной дыре еще на один шаг вперед,задавая вопрос, который заводит нас в неизведанные земли: являетсяли вся Вселенная компьютерной программой? Являемся ли мы всеголишь битами на космическом компакт-диске?
Вопрос о том, живем ли мы в компьютерной программе, получилблестящее воплощение на киноэкране в фильме «Матрица», гдепришельцы свели всю физическую реальность к компьютерной про-грамме. Миллиарды людей считают, что они живут повседневнойжизнью, понятия не имея о том, что все это лишь сгенерированнаякомпьютером фантазия, в то время как их настоящие тела спят в ко-конах, а пришельцы используют их как источники энергии.
В этом фильме возможно запускать меньшие компьютерные про-граммы, которые могут создавать искусственные мини-реальности.Если вы хотите стать мастером кун-фу или пилотом вертолета, то выпросто вставляете компакт-диск в компьютер, программа подается вмозг и — presto! Вы мгновенно усваиваете эти сложные навыки. Когдазапускается компакт-диск, создается целая новая субреальность. Ноэто вызывает интригующий вопрос: можно ли поместить на диск всюреальность? Компьютерная мощность, необходимая, чтобы симули-ровать реальность для миллиардов спящих людей, поистине ошелом-
ляет. Но все же теоретический вопрос: может ли вся Вселенная бытьоцифрована в завершенную компьютерную программу?
Этот вопрос восходит к законам механики Ньютона, имея широ-кие перспективы практического применения в торговле и наших жиз-нях. Как известно, Марк Твен говорил: «Все жалуются на погоду, ноникто с ней ничего не может поделать». Современная цивилизацияне может изменить ход одной-единственной грозы. Физики задалисьвопросом попроще: можем ли мы предсказывать погоду? Можно лисоздать компьютерную программу, которая предскажет ход форми-рования сложных типов погоды на Земле? Это найдет очень широкоепрактическое применение для всех заинтересованных в погоде -— отфермеров, которые хотят знать, когда сеять и когда собирать урожай,до метеорологов, которые хотят знать ход глобального потепления вэтом веке.
В принципе, компьютеры могут использовать законы механикиНьютона для вычисления пути молекул, создающих погоду. Это вы-числение может быть произведено с практически любой желаемойточностью. Но на практике компьютерные программы чрезвычайногрубы и ненадежны в прогнозировании погоды более чем на не-сколько дней вперед или около того, в лучшем случае. Для того чтобысоставить прогноз погоды, понадобилось бы определить движениекаждой молекулы воздуха, а эта задача — нечто, астрономически пре-восходящее возможности самого мощного компьютера, имеющего-ся в нашем распоряжении. Кроме того, существует теория хаоса и«эффект бабочки», где даже малейшая вибрация, созданная крыломбабочки, может вызвать эффект ряби, который в ключевые моментырешительно изменит погоду на расстоянии в сотни миль.
Подводя итоги данной ситуации, математики заявляют, что самоймаленькой моделью, способной в точности описать погоду, являетсясама погода. Вместо того чтобы заниматься микроанализом каждоймолекулы, лучшее, что мы можем сделать, — это узнать прогноз по-вгды на завтра, а также проследить более масштабные погодные про-цессы и типы (такие, как парниковый эффект).
Итак, свести ньютонианский мир к компьютерной программепредставляется чрезвычайно сложным, поскольку существует слиш-ком много переменных и слишком много « бабочек». Но в квантовоммире происходят странные вещи.
Как мы видели, Бекенштейн показал, что общая сумма информа-ционного содержимого черной дыры пропорциональна площадиповерхности ее горизонта событий. Это чувствуется на уровнеинтуиции. Многие физики считают, что минимальным возможнымрасстоянием является длина Планка, 10"33 см. При таком невероятномалом расстоянии пространство-время уже не гладкое, оно стано-вится «пузыристым», похожим на пену, состоящую из крошечныхпузырьков. Мы можем разделить всю сферическую поверхность го-ризонта событий на маленькие квадратики, каждый из которых будетразмером с длину Планка. Если каждый из этих квадратиков несет всебе один бит информации, то сложив все эти квадратики, мы при-близительно определим полное информационное содержимое дан-ной черной дыры. Видимо, это указывает на то, что каждый из таких«квадратов Планка» является минимальной единицей информации.Если это верно, то тогда, как утверждает Бекенштейн, скорее всегоинформация, а не теория поля является истинным языком физики.Он говорит так: «Теория поля с ее бесконечностью не может бытьокончательным вариантом».
Еще со времен Майкла Фарадея в девятнадцатом веке вся физикаформулировалась на языке полей, гладких и протяженных, которыеизмеряют силу магнетизма, электричества, гравитации и так далеев любой точке пространства-времени. Но теория поля основана напротяженных структурах, а не оцифрованных. Поле может иметьлюбое значение, в то время как оцифрованность уже сводит все кдискретным числам, состоящим из нулей и единиц. Это такое жеразличие, как между гладким пластом резины из теории Эйнштейнаи мелкой проволочной сеткой. Резиновый пласт можно поделить набесконечное количество точек, в то время как в проволочной сеткеесть минимальное расстояние — длина ячейки.
Бекенштейн предполагает, что «конечная теория должна зани-маться уже не полями и даже не пространством-временем, а скорееобменом информации между физическими процессами».
Если Вселенную можно оцифровать и свести к нулям и единицам,то каково же суммарное информационное содержимое Вселенной?По оценке Бекенштейна, черная дыра диаметром около сантиметрамогла бы содержать 1066 бит информации. Раз объект размером всантиметр может нести в себе так много информации, то, по оценке
Бекенштейна, вся видимая Вселенная должна содержать ее намногобольшее количество — не меньше 10100 бит информации (которую впринципе можно сжать в сферу размером в одну десятую световогогода в поперечнике. Такое колоссальное число, единица, за которойследует сто нулей, носит название гугол, или google.).
Если такая картина верна, то мы имеем дело со странной ситуа-цией. Она может указывать на то, что в то время, как ныотонианскиймир не может быть смоделирован при помощи компьютеров (илимоожет быть смоделирован только системой столь же большой, как ион сам), в квантовом мире, возможно, саму Вселенную можно загнатьна компакт-диск! Теоретически, если мы можем поместить 10100 битинформации на компакт-диск, то мы можем наблюдать за тем, каклюбое событие нашей Вселенной разворачивается у нас в гостиной.В принципе, можно было бы организовать или перепрограммиро-ватъ биты информации на этом компакт-диске таким образом, чтобыфизическая реальность была иной. В каком-то смысле у человека по-явится богоподобная способность переписать весь сценарий.
(Бекенштейн также признает, что все информационное содер-жимое Вселенной может быть и намного большим. В сущности,наименьшим объемом, в котором может содержаться информацияВселенной, может оказаться объем самой Вселенной. Если этоверно, то мы возвращаемся к тому, с чего начали: наименьшей си-стемой, которая может служить моделью Вселенной, является самаВселенная.)
Однако струнная теория предлагает несколько иную интерпре-тацию «наименьшего расстояния», а также того, сможем ли мыоцифровать Вселенную и записать ее на диск. М-теория обладаетТ-дуальностью. Вспомним о том, что греческий философ Зенонсчитал, что линию можно разделить на бесконечное количествоточек, без всякого ограничения. Сегодня такие квантовые физики,как Бекенштейн, считают, что наименьшим расстоянием можетбыть длина Планка -— 10~33 см. При таком расстоянии материяпространства-времени становится пенистой и пузыристой. НоМ-теория представляет эту картину в новом свете. Предположим, мывозьмем струнную теорию и свернем одно измерение в окружностьс радиусом R. Затем возьмем еще одну струнную теорию и свернемодно измерение в окружность с радиусом 1/R. При сравнении этих
двух довольно сильно отличающихся друг от друга теорий мы обна-ружим, что они совершенно одинаковы.
Теперь предположим, что радиус R чрезвычайно мал, намногоменьше длины Планка. Это означает, что физика при расстояниях,меньших, чем длина Планка, идентична физике при расстояниях,превышающих длину Планка. При длине Планка пространство-вре-мя может стать комковатым и пенистым; однако физика при расстоя-ниях, меньших, чем длина Планка, и физика на очень больших рассто-яниях могут быть гладкими и, в сущности, являются идентичными.
Эта дуальность была впервые обнаружена в 1984 году моимколлегой Кейджи Киккавой и его учеником Масами Юмасаки изУниверситета Осаки. Хотя струнная теория наглядно показывает,что существует «наименьшее расстояние», длина Планка, физикане заканчивается внезапно при достижении длины 10~33 см. Новымсветом, пролитым М-теорией на этот вопрос, является то, что физикапри расстояниях, меньших длины Планка, эквивалентна физике прирасстояниях, превышающих длину Планка.
Если интерпретация «шиворот-навыворот» верна, то это озна-чает, что даже в пределах «наименьшего расстояния» в струннойтеории может существовать целая вселенная. Иными словами, мывсе еще можем использовать теорию поля с ее протяженными (неоцифрованными) структурами для описания вселенной даже прирасстояниях, намного меньших, чем длина Планка. Так что, возмож-но, вселенная — это вовсе не компьютерная программа. В любомслучае, поскольку проблема четко обозначена, все решит время.
(Эта Т-дуальность является подтверждением упоминавшегосямною ранее сценария Венециано о событиях до Большого Взрыва.В этой модели черная дыра схлопывается до размеров длины Планка,а затем снова разлетается в Большом Взрыве. Этот «взрыв» неявляется внезапным событием, он представляет собой плавнуюТ-дуальность между черной дырой размером меньше длины Планка ирасширяющейся вселенной, большей, чем длина Планка.)
Конец?
Если М-теория окажется верной, если она и в самом деле окажется те-орией всего, то станет ли это концом той физики, что нам известна?
Ответом на этот вопрос будет «нет». Разрешите привести при-мep. Даже если нам известны правила игры в шахматы, это не пре-вратит нас автоматически в великого мастера. Подобным образоми знание законов вселенной не означает, что мы великие мастера ввопросах понимания богатого разнообразия ее решений.
Лично я считаю, что, быть может, еще преждевременно приме-нять М-теорию к космологии, хотя такой подход и представляет нампоразительную картину того, как могла зародиться вселенная. Помоему мнению, основной проблемой является то, что эта модель ненашла своей окончательной формы. М-теория вполне может бытьтеорией всего, но я считаю, что до ее завершения еще очень далеко.Эта теория развивается в обратном направлении к 1968 году (воз-можно, и далее), и ее окончательные уравнения все еще не найдены.(К примеру, струнную теорию можно сформулировать через струн-ную теорию поля, как показали Киккава и я несколько лет назад. ДляМ-теории эквивалент таких уравнений до сих пор неизвестен.)
Перед М-теорией стоит несколько проблем. Одной из них являет-ся то, что сейчас физики утопают в ^-бранах. Был написан ряд работ,в которых производились попытки каталогизации потрясающегоколичества мембран, которые могут существовать в различных из-мерениях. Существуют мембраны в форме пончика с одной дыркой,пончика со множеством дырок, перекрещивающиеся мембраны итак далее.
Это напоминает известную басню о том, как три слепых мудрецавстретили слона. Ощупывая его с разных сторон, все трое выдвигаютразличные теории. Один мудрец, беря слона за хвост, говорит, чтослюн — это одно-брана (струна). Другой мудрец, ощупывая слоно-вье ухо, говорит, что слон — это дву-брана (мембрана). И наконец,третий говорит, что двое первых ошибаются. Ощупывая ноги слона,похожие на стволы деревьев, третий мудрец говорит, что в действи-тельности слон — это три-брана. Поскольку мудрецы слепы, они немогут охватить всю картину, не могут увидеть то, что общая суммаодно-браны, дву-браны и три-браны представляет собой не что иное,как единое животное — слона.
Аналогично, с трудом верится, что сотни мембран, обнаружен-ных в М-теории, каким-то образом фундаментальны. В настоящеевремя мы не обладаем целостным пониманием М-теории. Моя соб-
ственная точка зрения, согласно которой я проводил исследования,состоит в том, что эти мембраны и струны представляют собой«конденсацию» пространства. Эйнштейн пытался описать веще-ство в чисто геометрических терминах, как какой-то излом в материипространства-времени. Если взять, к примеру, простыню, на которойпоявляется складка, то складка ведет себя так, будто живет своейсобственной жизнью. Эйнштейн пытался смоделировать электрони другие элементарные частицы как некое нарушение геометриипространства-времени. Хотя в конечном счете он потерпел неуда-чу, эта идея может возродиться на гораздо более высоком уровне вМ-теории.
Я считаю, что Эйнштейн шел по верному следу. Его идея состоялав том, чтобы сгенерировать субатомные частицы посредством гео-метрии. Вместо того чтобы пытаться найти геометрический аналогточечных частиц, в чем и заключалась стратегия Эйнштейна, можнобыло бы попытаться пересмотреть ее и попытаться сконструироватьгеометрический аналог струн и мембран, состоящих из чистого про-странства-времени.
Один из способов проследить логику в таком подходе состоит втом, чтобы взглянуть на физику с исторической точки зрения. В про-шлом каждый раз, как физики сталкивались с целым спектром объ-ектов, было понятно, что в основе лежало нечто фундаментальное.Например, когда мы открыли спектральные линии, испускаемые во-дородом, мы в конце концов поняли, что они происходили из атома,из квантовых скачков, совершаемых электроном при его вращениивокруг ядра. Подобным образом, столкнувшись с изобилием силь-ных частиц в 1950-е годы, физики в конце концов поняли, что ониявлялись не чем иным, как связанными состояниями кварков. А те-перь, столкнувшись с изобилием кварков и других «элементарных»частиц Стандартной модели, большинство физиков считает, что онипроисходят из вибраций струны.
В М-теории мы сталкиваемся с изобилиемр-бран всехтипов и раз-новидностей. Трудно поверить, что они могут быть фундаментальны,поскольку р-бран слишком много, а во-вторых, они неустойчивы ипротиворечивы. Более простой вариант решения, согласующийсяс историческим подходом, состоит в том, чтобы предположить, что
М-теория происходит из более простой парадигмы — возможно, изсамой геометрии.
Для того чтобы разрешить этот фундаментальный вопрос, намнеобходимо узнать, какой физический принцип лежит в основе всейгеории, а не просто записать ее таинственные математические фор-мулы. Как говорит физик Брайан Грин:
В настоящее время ученые, занимающиеся теорией струн,находятся в том же положении, что и Эйнштейн, будь он лишенпринципа эквивалентности. Со времен проницательной догадки Венециано в 1968 году теория собиралась учеными по кусоч-кам, открытие за открытием, испытывая один революционныйпереворот за другим. Но до сих пор отсутствует центральныйорганизующий принцип, который охватил бы все эти открытияи характеристики этой теории в пределах сводной и системати-ческой структуры — такой структуры, которая делает существо-вание каждого отдельного ингредиента абсолютно неизбежным.Открытие этого принципа стало бы поворотным моментом вразвитии струнной теории, поскольку оно бы обнаружило вну-тренние механизмы этой теории с беспрецедентной ясностью.
Открытие этого основополагающего принципа также разъяснитмиллионы решений, на данный момент найденных для струннойтеории. Каждое из этих решений представляет собой абсолютнонепротиворечивую вселенную. В прошлом считалось, что из целоголeca решений правильным для струнной теории является лишь одно.Сегодня наши представления меняются. До сих пор нельзя выбратьодну вселенную из миллионов сконструированных на сегодняшнийдень. Все более утверждается мнение о том, что если мы не можемнайти уникального, единственного решения струнной теории, то,возможно, причиной тому является факт его отсутствия. Все реше-ния равноценны. Существует Мультивселенная вселенных, каждаяиз которых отвечает всем законам физики. Это, в свою очередь, при-водит нас к тому, что называется антропным принципом, и к возмож-ности того, что наша вселенная «спроектирована».
ГЛАВА 8
Спроектированная вселенная?
За вечность, должно быть, было перепорчено огромное количество вселенных, до того, как оформилась эта система; было потрачено впустую много сил, сделано много бесплодных попыток, а процесс медленного, но непрерывного совершенствования в искусстве мироздания продолжался на протяжении бесконечных эпох.
Дэвид Юм
К
огда я учился во втором классе, моя учительница мимоходом об-ронила замечание, которое я не забуду никогда. Она сказала:«Бог так любил Землю, что Он расположил ее как раз на том рас-стоянии от Солнца, которое нужно». В мои шесть лет меня поразилапростота и сила этого аргумента. Если бы Бог расположил Землюслишком далеко от Солнца, то все океаны замерзли бы. Если бы онрасположил Землю слишком близко, то все они выкипели бы. Дляучительницы это не только служило доказательством того, что Бог су-ществует, но и означало, что Он также благожелателен, раз он так лю-бил Землю, что расположил ее именно на том расстоянии от Солнца,которое нужно. Это произвело на меня глубокое впечатление.
Сегодня ученые говорят, что Земля существует в «зоне оби-тания», как раз на таком расстоянии, чтобы было возможным су-ществование воды, «универсального растворителя», создающегохимические вещества, необходимые для жизни. Если бы Земля нахо-дилась дальше от Солнца, она могла бы стать похожей на Марс, «за-
мерзшую пустыню», где низкие температуры создали твердую голуюповерхность, на которой вода и даже углекислый газ часто замерзаютдо твердого состояния. Даже под поверхностью Марса находитсявечная мерзлота, постоянный слой замерзшей воды.Если бы Земля находилась ближе к Солнцу, то она могла бы статьпохожей на Венеру, размеры которой почти совпадают с размера-ми Земли. Венера известна как «планета парникового эффекта».Поскольку эта планета находится так близко к Солнцу, а атмосфераее состоит из углекислого газа, энергия солнечного света захватыва-ется Венерой и температуры взлетают до 500 градусов по Цельсию.Вот почему Венера является самой горячей в среднем планетойСолнечной системы. Дожди серной кислоты, атмосферные давле-ния, в сотни раз превышающие наши, и убийственные температурыпревращают Венеру, похоже, в самую адскую планету в Солнечнойсистеме, в основном из-за того, что она находится ближе к Солнцу,чем Земля.
Рассматривая аргумент моей учительницы, ученые бы сказали,что он является примером антропного принципа, который гласит,что законы природы организованы таким образом, который делаетвозможным существование жизни и сознания. Вопрос о том, орга-низованы ли эти законы каким-то проектировщиком или появилисьблагодаря случаю, был предметом многих споров, особенно в по-следние годы, поскольку было обнаружено несметное множество«случайностей» или совпадений, которые делают возможнымсуществование жизни и сознания. Для некоторых эти данные явля-ются подтверждением существования некоего божества, котороенамеренно организовало законы природы таким образом, чтобы су-ществование жизни, а также наше существование стало возможным.Однако для других ученых эти данные означают, что мы являемсяпобочными продуктами ряда удачных случайностей. Или, возможно,если верить в положения теории инфляции и М-теории, существуетМультивселенная вселенных.
Чтобы правильно оценить сложность этих споров, сначала рас-
смотрим те совпадения, которые делают возможным существованиежизни на Земле. Мы не просто живем в солнечной зоне обитания, мытакже живем в ряде других зон обитания. Например, Луна имеет какраз такие размеры, которые необходимы для стабилизации орбиты
Земли. Если бы Луна была намного меньше, то даже малейшие на-рушения вращения Земли постепенно накапливались бы в течениесотен миллионов лет. Это вызвало бы раскачивание Земли на своейорбите, чреватое катастрофой, а также создало бы разительные из-менения в климате, которые сделали бы жизнь на Земле невозмож-ной. Компьютерные программы показывают, что без большой Луны(около трети размера Земли) земная ось за миллионы лет могла бысместиться на целых 90 градусов. Поскольку ученые считают, что длясоздания ДНК потребовались сотни миллионов лет климатическойстабильности, то периодические отклонения Земли от ее оси вызва-ли бы катастрофические изменения погодных условий, что сделалобы создание ДНК невозможным. К счастью, Луна имеет как раз под-ходящий размер для того, чтобы стабилизировать земную орбиту, такчто такая катастрофа не произойдет. (Луны Марса недостаточно ве-лики, чтобы стабилизировать его вращение. В результате этого Марсначинает медленно вступать в следующую эпоху нестабильности.Астрономы считают, что в прошлом Марс мог отклоняться от своейоси на целых 45 градусов.)
Благодаря малым приливным силам Луна медленно отодвигаетсяот Земли со скоростью приблизительно 4 см в год. Примерно через2 миллиарда лет она окажется слишком далеко, чтобы стабилизиро-вать вращение Земли. Это может иметь катастрофические послед-ствия для жизни на Земле. Спустя миллиарды лет не только Луныне будет в ночном небе — мы можем увидеть совершенно другойнабор созвездий, когда Земля будет скакать на своей орбите. Погодана Земле станет неузнаваемой, что сделает невозможным существо-вание жизни.
Геолог Питер Уорд и астроном Дональд Браунли из УниверситетаВашингтона написали: «Без Луны в мире не было бы ни лунного све-та, ни месяца, ни программы «Аполлон», было бы меньше поэзии, акаждая ночь была бы темной и безрадостной. Вполне вероятно, чтобез Луны не было бы птиц, секвой, китов, трилобитов, да и другиеразвитые формы жизни не украшали бы нашу Землю».
Подобным образом компьютерные модели нашей Солнечной си-стемы показывают, что и присутствие Юпитера в нашей Солнечнойсистеме является благоприятным для жизни на Земле, поскольку не-вероятно сильное гравитационное притяжение Юпитера помогает
отбрасывать астероиды в открытый космос. Понадобился почтимиллиард лет в «эпоху метеоров», закончившуюся около 3,5 млрдлет назад, чтобы «очистить» Солнечную систему от обломковастероидов и комет, оставшихся после ее формирования. Если быЮпитер был намного меньше, а его притяжение намного слабее, тов нашей Солнечной системе было бы полно астероидов, которыесделали бы жизнь на Земле невозможной. Они бы падали в океаны иуничтожали всякую жизнь. Отсюда мы видим, что Юпитер тоже какраз нужного размера.
Мы также живем в зоне подходящих планетарных масс. Если быЗемля была чуть меньше, то ее гравитационное притяжение было бынастолько слабым, что она не могла бы удерживать кислород. Еслибы Земля была слишком большой, то она сохранила бы многие изначальных ядовитых газов, что сделало бы невозможной жизнь наЗемле. Масса Земли как раз такова, как нужно, чтобы поддерживатьнеобходимый для жизни атмосферный состав.
Мы также живем в зоне подходящих планетарных орбит. Что при-мечательно, орбиты всех остальных планет, кроме Плутона, являютсяпочти правильными окружностями, что делает столкновения планетв Солнечной системе практически невозможными. Это означает, чтоЗемля не подойдет близко ни к одному из газовых гигантов, гравита-ция которых легко нарушила бы орбиту Земли. Это опять-таки бла-гоприятное обстоятельство для жизни, которой необходимы сотнимиллионов лет стабильности.
Земля также существует в зоне обитания Галактики МлечныйПуть, находясь от ее центра на расстоянии двух третей диаметра.Если бы Солнечная система располагалась слишком близко к центруГалактики, где таятся черные дыры, то поле излучения было бы стольсильным, что жизнь была бы невозможна. А если бы Солнечная систе-мa находилась слишком далеко от центра Галактики, то существовалобы недостаточно тяжелых элементов, чтобы создать необходимыекомпоненты жизни.
Ученые приводят множество примеров того, что Земля находитсяв мириаде зон обитания. Астрономы Уорд и Браунли утверждают, чтомы живем в границах такого узкого диапазона многих параметровили зон обитания, что, возможно, разумная жизнь на Земле — дей-ствительно уникальное явление для нашей Галактики, а возможно,
даже для всей Вселенной. Они приводят впечатляющий список техмоментов, которые удивительным образом делают возможной раз-умную жизнь на Земле, а именно, что на Земле «как раз» необходи-мое количество океанов, «какраз» требуемая тектоника плит, содер-жание кислорода, теплосодержание, наклон оси и так далее. Если быЗемля лежала хотя бы вне одного из этих диапазонов, мы бы с вами необсуждали этот вопрос.
Так была ли Земля расположена на пересечении этих зон обита-ния потому, что Бог любил ее? Возможно. Однако мы можем прийтик выводу, который не предполагает участие божества. Возможно, вкосмосе существуют миллионы мертвых планет, которые действи-тельно находятся слишком близко к своим солнцам, чьи Луны слиш-ком малы, чьи Юпитеры слишком малы, или которые находятся слиш-ком близко к центру их галактик. Что касается Земли, существованиезоны обитания не обязательно означает, что Бог даровал нам особоеблагословение; возможно, это просто совпадение, один редкий при-мер среди миллионов мертвых планет в космосе, которые лежат запределами зон обитания.
Греческий философ Демокрит, который выдвинул гипотезу осуществовании атомов, писал: «Существуют миры, бесконечные всвоем количестве и разнообразные по размерам. В некоторых из нихнет ни Солнца, ни Луны. В других больше одного Солнца и Луны.Расстояния между мирами неодинаковы, в некоторых направленияхих больше... Их разрушение происходит из-за столкновений междусобой. Некоторые миры лишены животной и растительной жизни ивсякой влаги».
В сущности, к 2002 году астрономы открыли сотню экстрасолнеч-ных планет, вращающихся по орбитам других звезд. Ученые открыва-ют их приблизительно каждые две недели. Поскольку такие планетыне испускают собственного света, астрономы вычисляют их припомощи разнообразных средств непрямого наблюдения, наиболеенадежным из которых являются поиски раскачивающейся основнойзвезды: она раскачивается вперед-назад по мере того, как планетаразмером с Юпитер вращается вокруг нее. Путем анализа доппле-ровского смещения света, испускаемого раскачивающейся звездой,можно вычислить, насколько быстро она движется, и применить за-коны Ньютона для вычисления массы ее планеты.
«Можно представить звезду и большую планету как партнеров,кружащихся в танце, держась за вытянутые руки. Планета меньшихразмеров с внешней стороны проходит большие расстояния побольшей окружности, в то время как звезда-партнер перемещаетсямаленькими шажками по очень малой окружности — движениепо очень маленькой внутренней окружности и является тем «рас-качиванием», которое мы наблюдаем в этих звездах», — говоритКрис Маккарти из Института Карнеги. Сегодня такие наблюдениянастолько точны, что мы можем определить очень малые измененияв скорости (до трех метров в секунду — скорость быстрой ходьбы) взвезде на расстоянии сотен световых лет от нас.
Предлагаются и другие, более передовые методы обнаруженияеще большего количества планет. Один из них — это поиски планетыв тот момент, когда она затмевает свою материнскую звезду, что ведетк некоторому снижению ее яркости. В течение 15-20 лет НАСАзапу-стит на орбиту свой интерферометрический космический спутник,который сможет обнаружить в открытом космосе планеты меньшегоразмера, сходные с Землей. (Поскольку яркость материнской звездызатмит планету, спутник будет использовать интерференцию света,чтобы обнулить яркое свечение материнской звезды и открыть нашим глазам землеподобную планету.)
До настоящего времени ни одна из обнаруженных нами экстра-солнечных планет размером с Юпитер не имеет сходства с Землей,и все они, по всей вероятности, мертвы. Орбиты обнаруженныхастрономами планет либо очень вытянуты, эксцентричны, либо про-ходят в непосредственной близости к материнской звезде; в обоихслучаях существование в подобной зоне обитания планеты, похожейна Землю, было бы невозможным. В этих солнечных системах плане-та размером с Юпитер пересекала бы зону обитания, отшвыриваялюбую меньшую планету размером с Землю в открытый космос, чтопрепятствовало бы формированию известной нам жизни.
Слишком вытянутые орбиты — обычное для космоса явление,настолько обычное, что в сущности, когда астрономы в 2003 годуоткрыли «нормальную» солнечную систему, это событие попалонa первые полосы. Астрономы Соединенных Штатов и Австралиис таким же восторгом объявили об открытии планеты размером сЮпитер, вращающейся вокруг звезды HD 70642. Необычность этой
планеты (размеры которой вдвое превышают размеры Юпитера)состоит в том, что она вращается по орбите, имеющей форму окруж-ности, при этом расстояние до ее солнца приблизительно соответ-ствует расстоянию Юпитера до нашего Солнца.
Однако в будущем астрономы должны каталогизировать все близ-лежащие звезды, отнеся их к потенциальным солнечным системам.«Наша работа заключается в том, чтобы создать каталог всех двухтысяч ближайших наблюдаемых солнцеподобных звезд, которыенаходятся на расстоянии до 150 световых лет от нас, — говоритПол Батлер из Института Карнеги в Вашингтоне, участвовавший воткрытии первой экстрасолнечной планеты в 1995 году. — Мы пре-следуем двойную цель: провести исследование и составить первуюперепись наших ближайших соседей по космосу, а также собратьпервые данные для того, чтобы обратиться к фундаментальному во-просу о том, насколько обычным или редким феноменом являетсянаша Солнечная система».
Космические случайности
Чтобы создать жизнь, наша планета должна была находиться в отно-сительной стабильности в течение сотен миллионов лет. Но удиви-тельно сложно создать мир, который был бы стабилен на протяжениитакого времени.
Начнем с того, как образованы атомы, — с того факта, что про-тон чуть легче нейтрона. Это означает, что если бы протон был всеголишь на один процент тяжелее, он бы распался до нейтрона, все ядрастали бы неустойчивыми и расщепились бы. Атомы бы разлетелись встороны, что сделало бы жизнь невозможной.
Еще одна случайность, которая делает возможной жизнь наЗемле, — это тот факт, что протон устойчив и не распадается с об-разованием позитрона. Эксперименты показали, что срок жизнипротона поистине астрономически велик: он больше срока жизнивселенной. Для того чтобы создать устойчивую ДНК, протоныдолжны оставаться устойчивыми на протяжении как минимум сотенмиллионов лет.
Если бы сильное ядерное взаимодействие было чуть слабее, тотакие ядра, как ядра дейтерия, разлетелись бы в стороны и ни один из
элементов вселенной нельзя было бы построить внутри звезд путемнуклеосинтеза. Если бы сильное ядерное взаимодействие было чутьсильнее, то звезды сожгли бы свое ядерное топливо слишком быстрои жизнь не смогла бы развиться.
Если мы изменим силу слабого ядерного взаимодействия, то обна-режим, что жизнь опять-таки невозможна. Нейтрино, действующиечерез слабое ядерное взаимодействие, необходимы для того, чтобыуносить энергию из взрывающихся сверхновых. Эта энергия, в своюочередь, отвечает за создание элементов выше железа. Если бы сла-бое ядерное взаимодействие было чуть слабее, нейтрино вряд ли бывообще смогли взаимодействовать, что означает, что сверхновые несмогли бы создать элементы выше железа. Если бы слабое взаимодей-ствие было чуть сильнее, то нейтрино не могли бы покинуть звездноеядро, что опять-таки воспрепятствовало бы созданию высших эле-ментов, из которых состоят наши тела и весь мир.
В сущности, ученые составили длинные списки таких «удачныхкосмических случайностей». Видя этот внушительный список, судивлением обнаруживаешь, как много знакомых констант вселен-ной находятся в очень узком диапазоне, в пределах которого возмож-на жизнь на Земле. Если изменить всего лишь одну из этих случайно-стей, звезды никогда бы не образовались, вселенная разлетелась быв стороны, ДНК не существовала бы, известная нам жизнь была быневозможной, Земля бы перевернулась или замерзла, и так далее.
Чтобы подчеркнуть, насколько примечательной является сло-жившаяся ситуация, астроном Хью Росс уподобил ее Боингу-747,полностью собранному ураганом, наткнувшимся на свалку старыхавтомобилей.
Антропный принцип
Все приведенные выше аргументы сводятся к антропному принципу.Существует несколько позиций, которые можно занять относитель-но этого противоречивого принципа. Моя учительница во второмклассе считала, что эти удачные совпадения предполагали существо-вание великого проекта или плана. Как когда-то сказал физик ФриманДайсон, «вселенная словно знала, что мы придем». Это иллюстрациясильного антропного принципа, который заключается в идее того,
что точная настройка физических констант была не случайностью,а предполагает некий проект. (Слабый антропный принцип простоутверждает, что физические константы вселенной таковы, что воз-можно существование жизни и разума).
Физик Дон Пейдж суммировал различные формы антропногопринципа, предлагавшиеся в различные годы.
Слабый антропный принцип: «То, что мы видим во вселен-ной, ограничивается требованием нашего существования вкачестве наблюдателей».Сильно-слабый антропный принцип: «По крайней мере водном мире... из вселенной многих миров должна развиватьсяжизнь».
Сильный антропный принцип: «Вселенная должна нести всебе определенные качества, чтобы в какой-то момент в нейразвилась жизнь ».
Конечный антропный принцип: «Разум должен развитьсяво вселенной, после чего он никогда не погибнет».
Одним из физиков, всерьез воспринимающих сильный антроп-ный принцип и утверждающих, что это признак существованияБога, является Вера Кистяковски, физик из Массачусетского техно-логического института. Она говорит: «Утонченное совершенствофизического мира, открывающееся нашему научному взору, требуетприсутствия божественного». Еще одним ученым, поддержива-ющим это мнение, является Джон Полкингхорн, физик, занимав-шийся частицами, который отказался от занимаемой должности вКембриджском университете и стал священником англиканскойцеркви. Он пишет о том, что вселенная — это «не просто «какой-томир», она особенна и тонко настроена для жизни, поскольку являет-ся созданием Творца, чья воля в том, чтобы все было именно так». И всамом деле, сам Исаак Ньютон, которому принадлежит концепциянепреложных законов, управляющих движением планет и звезд безвсякого божественного вмешательства, считал, что изящество этихзаконов указывает на существование Бога.
Но нобелевский лауреат Стивен Вайнберг не поддерживаеттакую точку зрения. Он признает всю притягательность антропно-го принципа: «Для людей практически непреодолимым является
стремление верить в то, что мы имеем какое-то особое отношение
ко вселенной, что человеческая жизнь не просто более или менеенелепый результат цепи случайностей, простирающейся до первыхтрех минут после Большого Взрыва, а что мы были каким-то образомвстроены с самого начала». Однако в заключение он говорит о том,что сильный антропный принцип представляет собой «едва ли нечтобольшее чем пустую мистическую бессмыслицу».
Остальные физики также не слишком убеждены в силе антропногопринципа. Ныне покойный физик Хайнц Пейджелс был сильно увле-чен антропным принципом, но в конечном счете потерял к нему ин-терес, поскольку этот принцип не содержал в себе прогностическойсилы. Эта теория не подлежит проверке. Кроме того, не существуетспособов извлечь из нее какую-либо новую информацию. Вместоэтого она несет бесконечный поток пустых тавтологий — «мы здесьпотому, что мы здесь».
Гут также отбрасывал антропный принцип, утверждая: «Мнетрудно поверить, что кто-либо вообще стал бы использовать ан-тропный принцип, если бы у нас было лучшее объяснение. Мне ещепредстоит услышать, к примеру, об антропном принципе в мировойистории... Люди занимаются антропным принципом, когда они немогут придумать чего-то лучшего».
Мультивселенная
Другие ученые, такие, как сэр Мартин Рис из Кембриджского уни-верситета, считают, что эти космические случайности являютсядоказательством существования Мультивселенной. Рис считает, чтоединственным способом объяснения того факта, что мы живем вневероятно узкой диапазонной полосе сотен «совпадений», явля-ется постулирование существования миллионов параллельных все-ленных. В этой Мультивселенной большинство вселенных мертвы.Протон в них неустойчив. Атомы так и не создаются. ДНК не обра-зуется. Вселенная либо преждевременно коллапсирует, либо практи-чески немедленно замерзает. Но в нашей вселенной произошел рядкосмических случайностей, при этом совершенно не обязательносчитать, что Господь приложил к этому руку; можно основыватьсяпросто на законе больших величин.
В каком-то смысле от сэра Мартина Риса в последнюю оможно было бы ожидать услышать об идее параллельныхных. Он Королевский Астроном Великобритании, и на нембольшая ответственность за формирование взгляда на всСедовласый, солидный, безупречно одетый, Рис в равной схорошо говорит как о космических чудесах, так и о заботахпублики.
Он отнюдь не считает совпадением то, что вселенная тостроена для возможности существования жизни. Во всепросто-напросто слишком много случайностей, чтобы все озались в столь узком диапазоне, позволяющем существовать«То, что кажется нам тонкой настройкой, от которой зависсуществование, может оказаться всего лишь совпадением,шет Рис. — Когда-то и я думал именно так. Но сейчас этоткажется мне слишком узким... Если мы примем его, разнооб~будто бы особенные черты нашей вселенной — которые нетеологи когда-то приводили в качестве доказательств существПровидения или изначального проекта — не вызовут удивле
Рис попытался подкрепить свои аргументы перечисленикоторых из этих концептов. Он утверждает, что вселенная, пвидимости, управляется шестью параметрами, каждый из кподдается измерению и является тонко настроенным. Этивеличин должны удовлетворять условиям жизни, или же они смертвые вселенные.
Первый — это то, что параметр £ равен 0,007 — относколичество водорода, который конвертируется в гелий путемза в момент Большого Взрыва. Если бы эта величина имела знне 0,007, а 0,006, то это ослабило бы силу ядерного взаимодейпротоны и нейтроны не смогли бы соединиться, сформировНевозможным оказалось бы образование дейтерия (ядер спротоном и одним нейтроном), а отсюда следует, что более т.элементы так и не образовались бы в звездах, а вся вселенная олась бы в сплошной водород. Даже малейшее снижение силь_ного взаимодействия вызвало бы нестабильность периодичтаблицы химических элементов, а количество устойчивых элемнеобходимых для создания жизни, уменьшилось бы.
Если бы значение £ равнялось 0,008, то синтез происходил бы на-столько быстро, что после Большого Взрыва не осталось бы водородаи сегодня не было бы звезд, дающих свою энергию планетам. Или,возможно, два протона оказались бы связаны вместе, что также сдела-ло бы синтез в звездах невозможным. Рис указывает на вывод ФредаХойла, что изменение силы ядерного взаимодействие всего лишь на4 % сделало бы невозможным образование углерода в звездах, а это,в свою очередь, стало бы препятствием для формирования высшихэлементов и, следовательно, для возникновения жизни. Хойл обна-ружил, что при незначительном изменении силы ядерного взаимо-действия бериллий становится настолько неустойчив, что не можетслужить «мостом» для образования атомов углерода.
Второй параметр — это N, значение которого равно 1036. N —это частное от деления силы электрического взаимодействия на силугравитации. Этот параметр показывает, насколько слаба гравитация.
Если бы гравитация была еще слабее, то стала бы невозможной кон-денсация звезд в плотные скопления вещества и создание невероятновысоких температур, необходимых для синтеза. Отсюда следует, чтозвезды не светились бы и планеты погрузились бы в замораживаю-щую тьму.
Но если бы гравитация была чуть сильнее, то это вызвало бы слиш-ком быстрый разогрев звезд и они сожгли бы свое топливо слишкомбыстро. При таком варианте развития событий жизнь просто неуспела бы зародиться. Кроме того, более сильная гравитация вызвалабы более раннее образование галактик, и они были бы слишком ма-ленькими. Звезды встречались бы в более плотных скоплениях, чтостало бы причиной катастрофических столкновений между различ-ными звездами и планетами.
Третьим параметром является со, относительная плотность все-ленной. Если бы со была слишком мала, то вселенная расшириласьбы и остыла слишком быстро. Но если бы со была слишком велика,то вселенная сжалась бы еще до начала всякой жизни. Рис пишет:«Через одну секунду после Большого Взрыва со не могла отличатьсяот единицы больше, чем на Ю-15, чтобы сегодня, 10 миллиардов летспустя, вселенная все еще продолжала расширяться, а значение со приэтом наверняка не ушло бы далеко от единицы».
Четвертым параметром является л, космологическая констан-та, которая определяет ускорение нашей вселенной. Если бы этаконстанта была всего лишь в несколько раз больше, то создаласьбы антигравитация, которая разорвала бы нашу вселенную, и этостало бы причиной ее немедленного Большого Охлаждения, прикотором жизнь невозможна. Но если бы значение космологическойконстанты было отрицательным, то вселенная бы коллапсировала вБольшом Сжатии, причем это случилось бы слишком быстро, чтобысмогла сформироваться какая-либо жизнь. Иными словами, чтобысуществование жизни оказалось возможным, космологическаяконстанта, как и ш, также должна находиться в определенном узкомдиапазоне.
Пятым параметром является Q средняя относительная ампли-туда флуктуации в космическом микроволновом излучении, рав-ная 1 О*5. Если бы это число было чуть меньше, то вселенная имела бычрезвычайно однородную структуру, будучи безжизненной массойгаза и пыли, которые никогда не конденсировались бы в сегодняш-ние звезды и галактики. Вселенная была бы темной, однородной,лишенной характерных черт и безжизненной. Если бы значение Q.было больше, то конденсация вещества произошла бы раньше, приэтом оно конденсировалось бы в огромные сверхгалактическиеструктуры. Эти «огромные куски вещества конденсировались бы вчерные дыры», пишет Рис. Эти черные дыры были бы тяжелее, чемцелые галактические скопления. Любые звезды, образование кото-рых возможно в таком огромном скоплении газа, располагались быслишком плотно, а потому существование планетарных систем былобы невозможным.
Последним параметром является D, то есть количество простран-ственных измерений. Благодаря заинтересованности в М-теориифизики возвратились к вопросу о том, является ли жизнь возможнойв дополнительных высших или низших измерениях. Если простран-ство одномерно, то, вероятно, существование жизни невозможно,поскольку вселенная становится слишком упрощенной. Как правило,при попытках физиков применить квантовую теорию к одномернымвселенным мы обнаруживаем, что частицы проходят одна сквозьдругую без всякого взаимодействия. Поэтому вполне возможно, что
вселенные, существующие в одном измерении, не могут нести жизнь,поскольку частицы не могут «приклеиться» одна к другой, образуявсе более сложные объекты.
В двух измерениях мы также сталкиваемся с проблемой, посколь-ку жизненные формы, вероятно, дезинтегрировали бы. Представьтедвумерную расу существ, обитателей Плоской Страны, живущих наповерхности стола. Представьте, что они пытаются есть. Пищевод,тянущийся ото рта к заднему проходу, расщепил бы обитателяПлоской Страны надвое, и он распался бы. Таким образом, труднопредставить, как обитатель Плоской Страны мог бы существовать,не распадаясь на части.
Еще один аргумент из области биологии указывает на то, чторазумная жизнь не может существовать менее чем в трех измере-ниях. Наш мозг состоит из большого количества пересекающихсянейронов, объединенных обширной электрической сетью. Если бывселенная была одно- или двумерной, было бы невозможно строитьсложные нейронные сети, особенно в условиях короткого замыка-ния при наложении их друг на друга. В условиях низших измерениймы жестко ограничены количеством сложных логических схем и ней-ронов, которые можно разместить на маленьком участке. Например,наш собственный мозг состоит из 100 миллиардов нейронов, чтоприблизительно равно количеству звезд в Галактике Млечный Путь; при этом каждый нейрон связан с десятью тысячами других нейро-нов. Такую сложность было бы трудно воспроизвести в условияхменьшего количества измерений.
В четырех пространственных измерениях возникает следующаяпроблема: планеты неустойчивы на своих околосолнечных орби-тах. На смену закону обратных квадратов Ньютона приходит законобратных кубов. В 1917 году Пол Эренфест, близкий сотрудникЭйнштейна, размышлял о том, какой была бы физика в четырех из-мерениях. Он проанализировал уравнение, называемое уравнениемПуассона-Лапласа (которое управляет движением планетарныхобъектов, а также электрическими зарядами в атомах), и обнаружил,что орбиты теряют свою устойчивость в четырех и более простран-ственных измерениях. Поскольку электроны, подобно планетам,испытывают беспорядочные столкновения, это означает, что атомы
и солнечные системы, вероятно, не могут существовать в большемколичестве измерений. Иными словами, трехмерный случай — осо-бый.
С точки зрения Риса, антропный принцип является одним изнаиболее убедительных аргументов в пользу существования Мульти-вселенной. Точно так же как существование зон обитания для Землипредполагает существование экстрасолнечных планет, существо-вание зон обитания для вселенной предполагает существованиепараллельных вселенных. Рис комментирует это так: «Если естьбольшой ассортимент одежды, то никак не удивительно обнаружитьв нем подходящий костюм. Если существует много вселенных, каж-дая из которых управляется различным набором величин, то будети одна, где есть особый набор величин, пригодный для жизни. И мынаходимся именно в ней». Иными словами, вселенная такова, какаяона есть, благодаря закону больших величин, действующему средимногих вселенных Мультивселенной, а вовсе не благодаря некоемувеликому проекту.
Вайнберг, похоже, с этим согласен. В сущности, он считает идеюМультивселенной довольно интересной пищей для размышления.Ему никогда не нравилась та идея, что время внезапно могло начатьсвое существование в момент Большого Взрыва и что до этого мо-мента времени просто не существовало. В Мультивселенной же про-исходит вечное создание вселенных.
Существует еще одна, несколько необычная причина, по которойРис предпочитает идею Мультивселенной. Он считает, что вселеннаясодержит в себе небольшое количество «безобразия». К примеру,земная орбита несколько эллиптична. Если бы она была идеальнокруговой, то можно было бы заявить, подобно теологам, что Земляпредставляет собой побочный продукт божественного вмешатель-ства. Но орбита имеет слегка эллиптическую форму, что указываетна некоторое количество беспорядочности в пределах диапазоновзон обитания. Подобным образом и космологическая константа неполностью равна нулю, но весьма мала, что указывает на то, что нашавселенная «является не более особенной, чем того требует нашеприсутствие». Все это не противоречит тому, что наша вселеннаябыла создана случайно.
Эволюция вселенных
Будучи скорее астрономом, нежели философом, Рис говорит отом, что все эти теории должны подлежать проверке. В сущности,именно по этой причине он предпочитает идею Мультивселеннойсреди соперничающих мистических теорий. Рис считает, что теориюМультивселенной можно будет проверить в течение ближайшихдвадцати лет.
Один из вариантов теории Мультивселенной действительно мож-но проверить уже сейчас. Физик Ли Смолин идет еще дальше Риса ипредполагает, что имела место «эволюция» вселенных, аналогичнаяэволюции Дарвина, которая в конечном счете привела к образованиютаких вселенных, как наша. К примеру, в теории беспорядочной ин-фляции «дочерние» вселенные характеризуются физическими кон-стантами, несколько отличными от констант вселенной-матери. Есливселенные могут возникать из черных дыр, то, по мнению некоторыхфизиков, доминирующими вселенными в Мультивселенной будутвселенные с наибольшим количеством черных дыр. Это означает, что,как и в животном царстве, вселенные, дающие начало наибольшемуколичеству «детей», в конечном счете становятся доминирующимираспространяют свою «генетическую информацию» — физи-ческие константы природы. Если это верно, то у нашей вселенной впрошлом могло быть бесчисленное множество предков-вселенных,а сама она является побочным продуктом триллионов лет естествен-ного отбора. Иными словами, наша вселенная является побочнымпродуктом выживания наиболее приспособленных, что означает, чтоона — дитя вселенных с наибольшим количеством черных дыр.
Хотя дарвиновская эволюция вселенных является необычнойи оригинальной идеей, Смол